Effect of Grinding and Multi-Stimuli Aging on the Fatigue Strength of a Y-TZP Ceramic

ABSTRACT

Abstract This study aimed to investigate the effect of grinding and multi-stimuli aging on the fatigue strength, surface topography and the phase transformation of Y-TZP ceramic. Discs were manufactured according to ISO-68722008 for biaxial flexure testing (diameter 15 mm; thickness 1.2 mm) and randomly assigned considering two factors "grinding" and "aging" C- control (as-sintered); CA- control + aging; G- ground; GA- ground + aging. Grinding was carried out with coarse diamond burs under water-cooling. Aging protocols consisted of autoclave (134°C, 2 bars pressure, 20 hours), followed by storage for 365 days (samples were kept untouched at room temperature), and by mechanical cycling (106 cycles by 20 Hz under a load of 50% from the biaxial flexure monotonic tests). Flexural fatigue strengths (20,000 cycles; 6 Hz) were determined under sinusoidal cyclic loading using staircase approach. Additionally, surface topography analysis by FE-SEM and phase transformation analysis by X-ray Diffractometry were performed. Dixon and Mood methodology was used to analyze the fatigue strength data. Grinding promotes alterations of topographical pattern, while aging apparently did not alter it. Grinding triggered t-m phase transformation without impacting the fatigue strength of the Y-TZP ceramic; and aging promoted an intense t-m transformation that resulted in a toughening mechanism leading to higher fatigue strength for as-sintered condition, and a tendency of increase for ground condition (C < CA; G = GA). It concludes that grinding and aging procedures did not affect deleteriously the fatigue strength of the evaluated Y-TZP ceramic, although, it promotes surface topography alterations, except to aging, and t-m phase transformation.

RESUMO

Resumo Este estudo objetivou investigar o efeito do desgaste e envelhecimento (estímulos combinados) na resistência à fadiga, topografia superficial e transformação de fase de uma cerâmica Y-TZP. Discos para teste de flexão biaxial foram confeccionados segundo as normas da ISO-68722008 (15 mm Ø; 1,2 mm espessura) e randomicamente distribuídos de acordo com os fatores "desgaste" e "envelhecimento" C- controle (sinterizado); CA- controle envelhecido; G- desgaste; GA- desgaste envelhecido. O desgaste foi feito com pontas diamantadas de granulação grossa sob irrigação com água. Os protocolos de envelhecimento consistiram em autoclave (134°C, 2 bar de pressão, 20 horas), 365 dias armazenados em temperatura ambiente, e ciclagem mecânica (106 ciclos a 20 Hz em um intervalo de carga de até 50% da carga monotônica observada em testes estáticos). A resistência à fadiga foi determinada para 20.000 ciclos à 6 Hz sob carregamento sinusoidal através do método de escada. Adicionalmente, análises de topografia superficial em microscopia eletrônica de varredura e de transformação de fase por difração de raios-X foram executadas. A metodologia de Dixon e Mood foi usada para analisar os dados de resistência à fadiga. Foi observado que o desgaste promove uma alteração de padrão topográfico superficial; enquanto o envelhecimento aparentemente não demonstra influência. Em relação à transformação de fase e resistência à fadiga, o desgaste desencadeou um aumento de fase m sem impactar na resistência à fadiga da cerâmica Y-TZP; já o envelhecimento promoveu uma intensa transformação de fase, resultando no mecanismo de tenacificação, que gerou um aumento na resistência à fadiga para a condição sinterizada e uma tendência a aumento na condição desgaste (C < CA; G = GA). Os dados elucidam que o desgaste e o envelhecimento não impactaram negativamente na resistência à fadiga da cerâmica Y-TZP, apesar de promoverem alterações de topografia superficial e intensa transformação de fase de t-m respectivamente.