Le fluoperçage et le fluotaraudage comme moyen d'améliorer la durée de vie en fatigue d'éprouvettes trouées représentatives d'implants de type plaque

Cette étude vise à évaluer l’utilisation du perçage et du taraudage déformant dans l’optique d’améliorer la durée de vie en fatigue des éprouvettes représentatives d’implants orthopédiques de type plaque. La littérature montre que les trous taraudés sont des concentrateurs de contraintes pouvant mener au bris par fatigue des implants orthopédiques. Dans une très récente étude, une alternative aux procédés de perçage (PC) et taraudage (TC) par coupe est utilisée pour former ces trous. Il s’agit des techniques de perçage et de taraudage par déformation : le fluoperçage (FP) et le fluotaraudage (FT). Les résultats publiés révèlent que les discontinuités causées par le FT, et l’écrouissage induit par le FP et le FT, sont néfastes en ce qui concerne de durée de vie en fatigue. Ce projet de maîtrise poursuit ces travaux afin d’explorer des conditions de mise en forme alternatives qui produiraient des bénéfices en fatigue. Le travail présenté est essentiellement de nature expérimentale. Il est réalisé sur des éprouvettes en acier inoxydable austénitique 316L. La première partie du projet de maîtrise consiste à examiner les effets de la variation des conditions de mise en forme des trous taraudés sur la présence des discontinuités et sur l’écrouissage, via des examens métallographiques et des mesures de microdureté. Les résultats de cette partie du projet montrent que les discontinuités sont inhérentes au procédé de FT. Elles ont été observées sur tous les spécimens aux trous taraudés, indépendamment de la vitesse de rotation du taraud déformant (ωT=100, 260 et 400 rpm). L’utilisation d’outils coupants, au contraire, n’engendre pas de discontinuités à l’échelle observée. Les relevées de micro dureté montrent que la combinaison du FP et du FT augmente la microdureté de 80±8 % en proche surface des filets. Lorsque l’impact du FP sans FT est analysé, l’augmentation de la microdureté varie en fonction des vitesses de descente et de rotation utilisées de 20 à 40 %. Une diminution de la vitesse de descente et/ou une augmentation de la vitesse de rotation augmentent l’échauffement de la matière. Lorsque la matière est plus chaude, la zone affectée thermiquement s’élargit et le matériau s’adoucit. Lorsque l’impact du FT est étudié indépendamment (avec un PC préalable), la microdureté augmente de 75±6 % au sommet d’un filet PC+FT par rapport au métal de base. La variation de la vitesse de FT n’impacte pas l’écrouissage induit, dans la limite des trois valeurs essayées. La seconde partie du projet présente, sous forme d’un article scientifique, l’étude du comportement en fatigue en flexion quatre points d’éprouvettes représentatives des implants orthopédiques de type plaque. Les trous des éprouvettes sont mis en forme dans les conditions choisies à la suite des résultats de la première partie du projet. Trois lots d’éprouvettes sont étudiés. Le premier possède des trous taraudés par PC et FT, le second par FP et TC, et le dernier par PC et TC, il s’agit de la référence. Les essais sont menés à trois niveaux de contraintes avec un rapport de charge de R=0.1 et une fréquence de f=20 Hz.

Abstract

This study aims to evaluate the use of flow drilling and flow tapping to enhance the fatigue life of specimen’s representative of orthopedic plate-type implants. Literature indicates that threaded holes are stress concentrators that can lead to fatigue failure in orthopedic implants. In a recent study, an alternative to cutting drilling (CD) and cutting tapping (CT) was employed to create these holes, using deformation-based techniques: flow drilling (FD) and flow tapping (FT). The published results reveal that the discontinuities caused by FT, as well as the work hardening induced by both FD and FT, negatively impact fatigue life. This master’s project continues this work by exploring alternative forming conditions that could yield fatigue life improvements. This work is experimental in nature, carried out on 316L austenitic stainless steel specimens. The initial phase of this master’s project investigates how variations in the forming conditions of threaded holes affect the presence of discontinuities and work hardening, using metallographic analysis and microhardness measurements. The results from this part of the project show that discontinuities are inherent to the FT process. They were observed in all specimens with threaded holes, regardless of the rotational speed of the forming tap (ωT=100, 260 and 400 rpm). In contrast, the use of cutting tools does not result in observable discontinuities. Microhardness measurements indicate that the combination of FD and FT increase microhardness by 80±8% near the thread surface. When the impact of FD alone is assessed, the increase in microhardness varies from 20 to 40 %, depending on the feed rate and rotational speed. Lowering the feed rate and/or increasing the rotational speed leads to greater material heating. As the material heats up, the thermally affected zone expands, and the material softens. When the impact of FT is studied independently (with prior CD), microhardness increases by 75±6% at the crest of a CD+FT thread compared to the base metal. The variation in FT speed does not significantly affect the induced work hardening within the range of the three tested values. The second part of the project, presented as a scientific article, examines the fatigue behaviour under four-point bending of specimens that represent plate-type orthopedic implants. The holes in these specimens are formed using the conditions determined from the first part of the project. Three sets of specimens are analyzed: the first with holes CD and FT, the second with FD and CT, and the third with CD and CT, serving as the reference. The tests are performed at three stress levels with a load ratio of R=0.1 and a frequency of f=20 Hz.