Fracture mechanics approach for fatigue life prediction of NiTi stent-like components considering experimental measurements and numerical simulations

Fatigue failure of Nickel-Titanium peripheral stents constitutes an open issue of major concern in the research field which requires well-defined fatigue assessment methodologies. Computational simulations represent an effective strategy to verify different configurations under complex loading conditions mimicking the ones applied in vivo, reducing the need of many expensive experimental tests. However, at present there is still no consensus about both NiTi damage mechanism and specific fatigue criteria, given the complex mechanical/functional response. The aim of this work is to further deepen the knowledge about fatigue behaviour of NiTi devices by an effective combination of experimental techniques, computational methods and analytical predictive tools. A well-established experimental methodology was defined to fully understand the complex behaviour of a Ti - 50.8 at.% Ni alloy, investigating peculiar aspects of static and fatigue response through conventional and innovative experimental techniques. The implementation of a finite element model, optimally calibrated with the specific properties of the material, revealed good potentialities in simulation of crack propagation process, providing useful complementary information to experimental tests. Lastly, the extension of an energetic approach based on cyclic J-integral concept for crack propagation in NiTi SMA was proposed. Promising results were obtained in predicting fatigue failure of NiTi stent-like geometries in presence of defects.

Il cedimento a fatica di stent periferici in Nickel-Titanio costituisce ad oggi una questione di grande rilevanza nell’ambito di ricerca che richiede metodi di valutazione del comportamento a fatica ben definiti. Le simulazioni numeriche consentono un’efficace analisi di differenti configurazioni e complesse condizioni di carico, fornendo un indicatore di rischio in accordo con specifici criteri di fatica. Tuttavia, ad oggi non è ancora chiaro quale sia la modalità di frattura che regola la propagazione di cricche di fatica in dispositivi in NiTi e non sono stati sviluppati specifici criteri per questo materiale che tengano conto del suo peculiare comportamento. L’obiettivo della tesi è di acquisire consapevolezza in merito al comportamento a fatica e alla modalità di frattura di dispositivi in NiTi attraverso la combinazione di tecniche sperimentali, metodi computazionali e strumenti analitici predittivi. A questo scopo, è stata definita un ben consolidata procedura sperimentale per la caratterizzazione del comportamento statico e a fatica di una lega Ti - 50.8 at.% Ni, attraverso tecniche convenzionali e maggiormente innovative. L’implementazione di un modello agli elementi finiti opportunamente calibrato ha consentito lo studio numerico del processo di propagazione di cricche, fornendo importanti informazioni complementari ai risultati sperimentali. In ultima analisi, è stata proposta l’estensione di un approccio energetico basato sul J-integral ciclico per lo studio della propagazione di cricche in leghe NiTi, in grado di fornire previsioni promettenti della vita a fatica di geometrie simili agli stent, in presenza di difetti.