Efeito da fadiga cíclica na resistência, crescimento subcrítico de trincas e tempo de vida de cerâmicas a base de alumina infiltradas por vidro

Abstract

O objetivo foi avaliar (1) a influência da microestrutura e composição de cerâmicas a base de alumina e infiltrada por vidro (IA- In-Ceram Alumina, Vita) e com reforço de zircônia (IZ- In-Ceram Zircônia, Vita) no comportamento mecânico quanto à resistência a flexão e fadiga; e (2) o efeito das cargas cíclicas na resistência (σ), crescimento subcrítico de trincas (CST) e tempo de vida (TV) desses materiais cerâmicos. Noventa corpos-de-prova (CP) (1.2 x 4 x 20 mm3) de cada material foram fabricados de acordo com ISO 6872 e instruções do fabricante. Os CP de IA e IZ foram divididos em 6 grupos (n=15), submetidos a: 1) flexão em três pontos em saliva artificial a 37°C (IA3P e IZ3P); e 2) fadiga cíclica em ambiente seco e úmido (IAFS, IAFU, IZFS, IZFU). A resistência inicial (σc) e o número de ciclos nos quais cada CP fraturou foram obtidos a partir do ensaio de flexão (3P) e da fadiga cíclica, respectivamente; e avaliados pela análise estatística de Weibull. O CST foi calculado a partir da velocidade da trinca em função da intensidade máxima de estresse. Para estimar o TV foi utilizado o diagrama de Wöhler (DW). Os valores de σc (MPa) da IA variaram de 340 a 560, e do IZ de 410 a 660. O módulo de Weibull (m) foi 8 para ambas IA e IZ, e a resistência característica (σ0) foi 550 MPa para IZ e 466 MPa para IA. O CST no IZ foi maior na presença de umidade. Baseados na σc e nos dados de fadiga, calculados com uma tensão máxima de 150 MPa, foi estimado em média, um TV de: IZFS= 1.57 x 108; IZFU= 1.70 x 107; IAFS= 1.75 x 106; e IAFU= 8.70 x 105 ciclos. Os CP de IZ apresentaram maiores valores de σc devido a presença de zircônia na sua composição e microestrutura. A partir do DW estimou-se que os materiais IA e IZ, têm uma probabilidade de falha de apenas 5% após 20 anos (10220000 ciclos), se a máxima tensão aplicada em meio úmido não exceder a 316MPa para IZ, e 264MPa para IA.

The objective of this study was to evaluate (1) the influence of the microstructure and chemical composition on the flexural strength and fatigue of glass-infiltrated alumina-based (IA- In-Ceram Alumina) and zirconia-reinforced (IZ- In-Ceram Zirconia) ceramics; and (2) the effect of the cyclic loading on the strength (σ), subcritical crack growth (SCG) and lifetime (Lt) of these framework ceramics. Ninety specimens (sp)(1.2 x 4 x 20 mm3) were fabricated according to the ISO 6872 standard and manufacturer instructions. IA and IZ sp were divided into 6 groups (n=15) and submitted to: 1) 3-point bending test in artificial saliva at 37ºC (IA3P e IZ3P); 2) cyclic fatigue test under dry and wet conditions (IAFD, IAFW, IZFD, IZFW). The initial strength (σ) and the number of cycles until fracture were obtained from the 3-point bending and cyclic fatigue test, respectively; and evaluated using the Weibull distribution. The SCG was obtained from the velocity of crack propagation (v) with the stress intensity factor. The Lt was described using the Wöhler diagram (WD). The σ values (MPa) ranged from 340 to 560 and from 410 to 660 for IA and IZ, respectively. The Weibull moduli (m= 8) was found similar for both ceramics, and the characteristic mechanical strength (σ0) of IA and IZ was 550 MPa and 466 MPa, respectively. Based on the σ and the calculated fatigue data, using a maximum stress of 150 MPa, an average Lt was estimated as follows: IZFD=, 1.57 x 108; IZFW= 1.70 x 107; IAFD= 1.75 x 106; and IAFW= 8.70 x 105 cycles.. SCG was greater for IZ sp when they were tested in water; the presence of zirconia in the IZ resulted in greater mean σ and σ0 values for IZ than for IA. The WD estimated a probability of failure of only 5% after 20 years (10220000 cycles) for IA and IZ if the maximum applied stress in wet conditions does not exceed to 316 MPa and 264 MPa, respectively.