Comportement anisotrope de tubes médicaux à parois mince en alliage à mémoire de forme super-élastique de nickel-titanium

par Estephanie Nobre Dantas Grassi

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Denis Favier et de Gregory Chagnon.

Le président du jury était Hervé Louche.

Les rapporteurs étaient Yves Chemisky, Gérard Rio.


  • Résumé

    Les tubes à paroi mince en alliage à mémoire de forme Nickel-Titane (AMF NiTi) sont largement utilisés dans la fabrication de stents auto-expansibles. Leur fonctionnement repose sur la superélasticité (SE), comme de nombreuses autres applications des AMF NiTi dans le domaine biomédical. Le SE est un phénomène cristallographique réversible qui donne aux AMF la capacité de récupérer de grandes déformations par simple déchargement mécanique. En raison de la nature cristallographique du SE, les propriétés mécaniques liées à cet effet devraient être affectées par l'anisotropie inhérente du tube, qui émerge de son processus de fabrication. Cependant, le NiTi est encore souvent considéré comme isotrope dans la conception et l'optimisation de tels dispositifs. L'une des difficultés empêchant l'utilisation de modèles anisotropes est l'absence de caractérisations mécanique de l'anisotropie du tube NiTi. Le présent travail vise à effectuer une telle caractérisation pour un tube superélastique NiTi à paroi mince. Dans une campagne expérimentale, le comportement en traction du tube est analysé à différentes orientations et températures. La technique de corrélation d'image numérique (digital image correlation - DIC) est utilisée pour surveiller la distribution des déformations pendant les essais de traction. Les résultats montrent que toutes les propriétés analysées liées à la SE sont anisotropes. Toutes les dépendances d'orientation sont presque symétriques à 45° de l'axe du tube. Certaines propriétés dépendent également de la température, dépendance qui est également anisotrope. Une approche thermodynamique basée sur l'énergie libre de Gibbs est utilisée pour analyser ces dépendances d'orientation et de température. Avec cette analyse, il a été possible de relier l'hystérésis mécanique de la SE et les contributions irréversibles présentes dans le système. Enfin, l'influence de l'anisotropie sur la distribution des déformations est vérifiée. L'accent est mis sur l'analyse du phénomène de localisation de la déformation tout au long du chargement et du déchargement. L'inclinaison de la bande de localisation est caractérisée et évaluée avec une approche de plasticité. L'angle de la bande avant observé avec DIC est prédit en utilisant des données de vitesse de déformation globale.

  • Titre traduit

    ANISOTROPIC BEHAVIOR OF THIN WALLED MEDICAL TUBES IN NICKEL-TITANIUM SUPERELASTIC SHAPE MEMORY ALLOYS


  • Résumé

    Thin walled tubes of Nickel-Titanium shape memory alloys (NiTi SMA) are widely used in the fabrication of self-expandable stents. The operation of stents relies on the superelastic effect (SE), as many other applications of NiTi SMA in the biomedical field. The SE is a reversible crystallographic phenomenon that gives SMA the ability to recover large strains through simple unload. Due to the crystallographic nature of the SE, the mechanical properties related to this effect are expected to be affected by the inherent anisotropy of the tube, which emerges from its fabrication process. However, NiTi is still often treated as isotropic in the design and optimization of such devices. One of the difficulties preventing the use of anisotropic models is a lack of mechanical characterizations about the NiTi tube's anisotropy. The present work aims to perform such characterization for a thin walled NiTi superelastic tube. In an experimental campaign, the tensile behaviour of the tube is analysed at different orientations and temperatures. Digital Image Correlation (DIC) technique is used to monitor the strain distribution during tensile tests. Results show that all the analysed properties related with SE are anisotropic. All the orientation dependencies are nearly symmetrical to 45° from the tube's axis. Some properties are also dependent on temperature, a dependence that is also anisotropic. A thermodynamic approach based on the Gibbs free energy is used to analyse these orientation and temperature dependencies. With this analysis it was possible to relate the SE stress hysteresis and thermodynamic irreversible energy contributions. Finally, the influence of anisotropy on the strain distribution of tensile samples is verified. Focus is given to the analysis of the strain localization phenomenon throughout loading and unloading. The inclination of the localization front band is characterized and evaluated with a plasticity approach. The front angle observed with DIC is predicted using global strain rate data.

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