Resumo O objetivo deste estudo foi caracterizar e avaliar as propriedades físicas e mecânicas de uma zircônia experimental para aplicação odontológica e comparar os resultados da resistência à flexão biaxial com a simulação de elementos finitos (MEF). Amostras de zircônia tetragonal estabilizada com ítria (Y-TZP) foram sinterizadas a 1475 °C/2 h e caracterizadas por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, densidade relativa, resistência à flexão usando teste de pistão em três bolas (P-3B) e módulo de Young. A partir dos resultados de resistência à flexão, foram realizadas simulações numéricas utilizando o software Abaqus. O modelo completo utilizou 70216 elementos. Os resultados apontaram para densificação total em amostras sinterizadas, ZrO2 tetragonal e cúbica como fases cristalinas, tamanho de grão de 0,6±0,2 μm, módulo de Young de 195±4 GPa, resistência à flexão de 1191±9 MPa e módulo de Weibull m=16,3. A simulação numérica indicou uma resistência à flexão próxima de 1100 MPa, com diferença menor que 7% em relação aos resultados experimentais. Os resultados foram comparados associando as propriedades físicas e mecânicas de Y-TZP com seus fenômenos intrínsecos, como a transformação tgm e o domínio ferroelástico.

Abstract The objectives of this study were to characterize and evaluate the physical and mechanical properties of an experimental zirconia for dental application and compare the biaxial flexural strength results with the finite element simulation (FEM). Yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal (Y-TZP) ceramic samples were sintered at 1475 °C/2 h and characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, relative density, flexural strength using piston-on-three balls (P-3B) test and Young’s modulus. From the flexural strength results, numerical simulations were performed using Abaqus software. The complete model used 70216 elements, considering the components of the test. The results indicated full densification of sintered samples, ZrO2-tetragonal and ZrO2-cubic as crystalline phases, and average grain size of 0.6±0.2 μm. Mechanical characterization of sintered samples indicated Young’s modulus of 195±4 GPa, flexural strength of 1191±9 MPa and Weibull modulus m=16.3. FEM simulation indicated a flexural strength close to 1100 MPa, with a difference lower than 7% in relation to the experimental results. The results were compared associating the physical and mechanical properties of Y-TZP with its intrinsic phenomena such as tgm transformation and ferroelastic domain.

Resumo Quatro porcelanas dentárias para cobertura de zircônia foram sinterizadas (queimadas) a 910-960 °C e caracterizadas, focando na análise de confiabilidade, propriedades físicas e mecânicas. Amostras com densidade relativa próxima de 99% apresentaram cristalização de leucita, além de fase amorfa residual. Dureza entre 491±23 e 575±32 HV foi diferente entre todas as cerâmicas. Tenacidade à fratura entre 1,13±0,11 e 1,42±0,25 MPa.m1/2 foi estatisticamente diferente. Os resultados de resistência à flexão não foram diferentes para as porcelanas (73±9 a 75±12 MPa), com a exceção de um grupo específico (62±4 MPa). A análise de Weibull indicou resistência à flexão entre 73 e 75 MPa, módulo de Weibull (m) entre 5,7 e 7,1, enquanto a cerâmica com resistência de 60 MPa apresentou m=13,6. O uso de teoria clássica da mecânica da fratura, associado aos resultados das propriedades obtidas neste trabalho, indicou tamanho crítico do defeito nestas cerâmicas entre 65 e 90 μm e a energia de fratura teórica das porcelanas foi de 10,5 a 16,3 J/m. Concluiu-se que as porcelanas têm diferentes comportamentos e parece não haver clara relação entre as propriedades estudadas.

Abstract Four dental porcelains for covering zirconia were sintered (fired) at 910-960 °C and characterized, focusing in analyzing reliability, physical and mechanical properties. Samples with relative density close to 99% presented leucite crystallization apart from residual amorphous phase. Hardness between 491±23 and 575±32 HV was different among all ceramics. Fracture toughness between 1.13±0.11 and 1.42±0.25 MPa.m1/2 was statistically different. Bending strength results were not different for three porcelain groups (73±9 to 75±12 MPa), with the exception of one specific group (62±4 MPa). Weibull analysis indicated bending strength between 73 and 75 MPa, Weibull modulus (m) between 5.7 and 7.1, while the ceramic with strength of 60 MPa presented m=13.6. The use of classical theory of fracture mechanics associated to the results of properties obtained in this work indicated the critical failure size in these ceramics lays between 65 and 90 μm and the theoretical fracture energy of porcelains is approximately from 10.5 to 16.3 J/m. It was concluded that the porcelains had different behavior, and it seems that there is no clear relationship among the studied properties.