Prévision de l'épaisseur du film passif d'un acier inoxydable 316L soumis au fretting corrosion grâce au Point Defect Model, PDM

Predicting the steady state thickness of passive films with the Point Defect Model in fretting corrosion experiments

Bio-Tribocorrosion lab, STBio Department Center for Biomedical and Healthcare Engineering EMSE, CNRS:UMR5307, LGF, 158 cours Fauriel, 42023 Saint-Etienne, France

Résumé

Les implants orthopédiques de hanche ont une durée de vie d'environ 15 ans. Par exemple, la tige fémorale d'un tel implant peut être réalisée en acier inoxydable 316L ou 316LN. Le fretting corrosion, frottement sous petits déplacements, peut se produire pendant la marche humaine en raison des chargements répétés entre le métal de la prothèse et l'os. Plusieurs investigations expérimentales du fretting corrosion ont été entreprises. Cette couche passive de quelques nanomètres, à température ambiante, est le point clef sur lequel repose le développement de notre civilisation, selon certains auteurs. Ce travail vise à prédire les épaisseurs de cette couche passive de l'acier inoxydable soumis au fretting corrosion, avec une attention spécifique sur le rôle des protéines. Le modèle utilisé est basé sur le Point Defect Model, PDM (à une échelle microscopique) et une amélioration de ce modèle en prenant en compte le processus de frottement sous petits débattements. L'algorithme génétique a été utilisé pour optimiser la convergence du problème. Les résultats les plus importants sont, comme démontré avec les essais expérimentaux, que l'albumine, la protéine étudiée, empêche les dégradations de l'acier inoxydable aux plus faibles concentrations d'ions chlorure ; ensuite, aux plus fortes concentrations de chlorures, un temps d'incubation est nécessaire pour détruire le film passif.

Abstract

Some implants have approximately a lifetime of 15 years. The femoral stem, for example, should be made of 316L/316LN stainless steel. Fretting corrosion, friction under small displacements, should occur during human gait, due to repeated loadings and un-loadings, between stainless steel and bone for instance. Some experimental investigations of fretting corrosion have been practiced. As well known, metallic alloys and especially stainless steels are covered with a passive film that prevents from the corrosion and degradation. This passive layer of few nanometers, at ambient temperature, is the key of our civilization according to some authors. This work is dedicated to predict the passive layer thicknesses of stainless steel under fretting corrosion with a specific emphasis on the role of proteins. The model is based on the Point Defect Model (micro scale) and an update of the model on the friction process (micro-macro scale). Genetic algorithm was used for finding solution of the problem. The major results are, as expected from experimental results, albumin prevents from degradation at the lowest concentration of chlorides; an incubation time is necessary for degrading the passive film; under fretting corrosion and high concentration of chlorides the passive behavior is annihilated.