Fatigue-life and stress distribution of a glass-ceramic under different loading conditions

ABSTRACT

Abstract This study aimed to evaluate the effect of different loading conditions on the mechanical behavior and stress distribution of a leucite-reinforced glass-ceramic. Plate-shaped ceramic specimens were obtained from leucite-reinforced glass-ceramic (1.5 × 8.4 × 8.3 mm) and adhesively cemented to a dentin analog substrate. Monotonic and cyclic contact fatigue tests were performed to simulate sphere-to-flat contact, using a 6 mm diameter spherical piston; and flat-to-flat contact, using a 3 mm diameter flat piston. For the monotonic test (n=20), a gradual compressive load (0.5 mm/min) was applied to the specimen using a universal testing machine. Failure load data were analyzed with Weibull statistics. The cyclic contact fatigue test was performed using protocols (load and a number of cycles) defined by the boundary technique (n=30). Fatigue data were analyzed using an inverse power law relationship and Weibull-lifetime distribution. The stress distribution was investigated using Finite Element Analysis (FEA). The monotonic and the fatigue Weibull modulus were similar among the two contact conditions. In fatigue, the slow crack growth exponent was greater for sphere-to-flat contact, which indicates that the load level had a greater effect on the specimen's probability of failure. In conclusion, FEA showed different stress distribution for the tested loading conditions. The stress distribution and probability of fatigue failure of specimens tested in sphere-to-flat contact showed greater dependency to load level.

RESUMO

Resumo O objetivo deste estudo é avaliar o efeito de diferentes condições de carregamento no comportamento mecânico e na distribuição de tensões de uma vitrocerâmica reforçada com leucita. Amostras cerâmicas em forma de lâminas foram obtidas a partir de vitrocerâmica reforçada com leucita (1,5 × 8,4 × 8,3 mm) e cimentadas adesivamente a um substrato análogo de dentina. Ensaios de carga de compressão monotônica e fadiga foram realizados para simular o contato esfera-plano, usando um pistão esférico de 6 mm de diâmetro; e contato plano com plano, usando um pistão plano de 3 mm de diâmetro. Para o ensaio de carga de compressão monotônica (n=20), foi aplicada uma carga compressiva gradual (0,5 mm/min) ao corpo-de-prova usando uma máquina de ensaio universal. Os dados de carga de fratura foram analisados de acordo com a distribuição de Weibull. O teste de fadiga foi realizado com os protocolos (carga e número de ciclos) definidos pela técnica de boundary (n=30). Os dados de fadiga foram analisados usando uma relação de tempo de vida - tensão de lei da potência inversa (IPL- inverse power law). A distribuição de tensões foi investigada usando análise de elementos finitos (AEF). O módulo de Weibull para teste de compressão monotônico e de fadiga foram semelhantes entre as duas condições de contato. Em fadiga, o expoente de crescimento sub-crítico da trinca foi maior para o contato esfera-plano, o que indica que o nível de carga teve um efeito maior na probabilidade de falha do corpo-de-prova. Em conclusão, AEF apresentou distribuição de tensões diferente para as condições de carregamento testadas. A distribuição de tensões e a probabilidade de falha em fadiga dos corpos-de-prova testados utilizando o contato esfera-plano apresentaram maior dependência do nível de carga.