Doctor of Philosophy / Department of Industrial & Manufacturing Systems Engineering / Zhijian Pei / Titanium alloy is one of the most important materials used in major segments of industries such as aerospace, automobile, sporting goods, medical and chemical. Market survey has stated that the titanium shipment in the USA has increased significantly in last two decades, indicating its increased usage. Industries are always under tremendous pressure to meet the ever-increasing demand to lower cost and improve quality of the products manufactured from titanium alloy. Similar to titanium alloys, silicon carbide and dental ceramics are two important materials used in many applications. Rotary ultrasonic machining (RUM) is a non-traditional machining process that combines the material removal mechanisms of diamond grinding and ultrasonic machining. It comprises of a tool mounted on a rotary spindle attached to a piezo-electric transducer to produce the rotary and ultrasonic motion. No study has been reported on RUM of titanium alloy, silicon carbide and dental ceramics. The goal of this research was to provide new knowledge of machining these hard-to-machine materials with RUM for further improvements in the machining cost and surface quality. A thorough research has been conducted based on the feasibility study, effects of tool variables, effects of machining variables and wheel wear mechanisms while RUM of titanium alloy. The effects of machining variables (such as spindle speed, feed rate, ultrasonic vibration power) and tool variables (grit size, diamond grain concentration, bond type) have been studied on the output variables (such as cutting force, material removal rate, surface roughness, chipping size) and the wheel wear mechanisms for titanium alloy. Feasibility of machining silicon carbide and dental ceramics is also conducted along with a designed experimental study.

Objetivos: (1) determinar a carga de fratura e o modo de falha de laminados cerâmicos ultrafinos processados via CAD-CAM em função da microestrutura do material (vitrocerâmica à base de dissilicato de lítio ou porcelana à base de leucita); (2) desenvolver metodologia de ciclagem mecânica para determinar o tempo de vida e o modo de falha de laminados cerâmicos ultrafinos processados via CADCAM. Materiais e métodos: dezesseis dentes humanos, incisivos centrais superiores, foram utilizados para confecção dos espécimes. Os dentes sofreram mínimo preparo, em esmalte, para adequada adaptação dos laminados cerâmicos ultrafinos. Os laminados de dissilicato de lítio e de porcelana foram confeccionados via CAD-CAM e cimentados com cimento resinoso sobre os dentes. Quatro espécimes de cada grupo foram levados à máquina de ensaios universal para determinação da carga de fratura dos laminados. Para o desenvolvimento de metodologia para determinação do tempo de vida dos laminados, uma série de testes piloto foi realizada, utilizando-se diferentes parâmetros como: tipo de antagonista (dentes naturais ou roletes metálicos), carga aplicada (20, 30 ou 40 N) e esquema de ciclo mastigatório (incisão ou deslizamento). Os padrões de falha dos laminados foram analisados em um estereomicroscópio, e os resultados obtidos no ensaio de carga de fratura foram analisados por ANOVA e teste de Tukey. Resultados: o valor médio obtido de carga de fratura para o dissilicato de lítio foi de 431,8 ± 217,9 N, enquanto que para a porcelana foi de 454,4 ± 72,1 N. Não houve diferença estatística entre os valores de carga de fratura encontrados, porém, o desvio padrão e o coeficiente de variação da vitrocerâmica foram muito superiores em relação aos da porcelana. Houve diferença no modo de falha dos materiais testados, sendo que a porcelana apresentou um maior número de falha por lascamento e o dissilicato de lítio apresentou maior quantidade de falha da estrutura dental. Na ciclagem mecânica, para cada condição testada, uma resposta diferente foi obtida. No tipo de ciclo incisão, os antagonistas (dente natural) fraturaram quando as cargas de 30 N e 40 N foram aplicadas. No tipo de ciclo deslizamento, o antagonista (dente natural) sofreu desgaste da borda incisal com carga de 30 N. Para o antagonista rolete metálico, quando a carga de 30 N foi aplicada ocorreu fratura do laminado, e quando aplicada a carga de 20 N, houve desgaste excessivo do rolete metálico. Conclusão: (1) o material utilizado não afetou a carga de fratura dos laminados cerâmicos ultrafinos quando o teste estático foi utilizado. Entretanto, o modo de falha foi significativamente diferente, sendo que a porcelana sofreu mais lascamentos do que o dissilicato de lítio; o qual, por sua vez, apresentou a maioria das falhas relacionadas à estrutura dental. (2) Não foi possível determinar uma combinação de parâmetros de ciclagem mecânica que permitisse a determinação dos parâmetros de fadiga para laminados cerâmicos ultrafinos, já que o número máximo de ciclos alcançados foi de 536.818 ciclos. Dessa forma, estudos futuros precisam ser realizados para que uma metodologia apropriada permita determinar parâmetros de fadiga clinicamente relevantes para laminados cerâmicos ultrafinos em dentes anteriores. / Objectives: (1) to determine the fracture load and the failure mode of the ultra-thin ceramic laminates processed via CAD-CAM according to the microstructure of the material (lithium disilicate-based glass-ceramic or leucite-based porcelain); (2) to develop a fatigue methodology capable of determining the lifetime of ultra-thin ceramic laminates processed via CAD-CAM. Materials and methods: sixteen human maxillary central incisors were used to produce the specimens. The teeth required minimal preparation on the enamel for proper adaptation of the ultra-thin ceramic laminates. Ceramic laminates made of lithium disilicate and feldspathic porcelain with thicknesses between 0.3 mm to 0.5 mm were produced via CAD-CAM and cemented with resin cement. Four specimens of each group were taken to a universal testing machine to determine the fracture load of the laminates. For the development of a fatigue methodology, a series of pilot tests was performed using different parameters such as: type of antagonist (natural teeth or metal roller), applied load (20, 30 or 40 N), and type of masticatory cycle (incision or sliding). Failure modes were analysed using a stereomicroscope. Fracture load data were analysed by ANOVA and Tukey\'s test. Results: the mean fracture load obtained for the glass-ceramic was 431.8 ± 217.9 N, while that obtained for the porcelain was 454.4 ± 72.1 N. There was no statistical difference between the mean fracture load values; however, the standard deviation and the coefficient of the variation of the glass-ceramic were both higher than those obtained for the porcelain. There was also a difference in the failure modes for the two materials tested. The porcelain showed a higher number of factures due to chipping and the lithium disilicate showed a higher number of tooth structure failure. The fatigue experiment showed different results depending on the condition analysed. In the incision cycle, the antagonists (natural tooth) fractured when loads of 30 N and 40 N were applied. In the slide type of cycle, the antagonist (natural tooth) suffered wear on the incisal edge after applying 30 N of load. For the metal roller antagonist, when a 30 N load was applied, the ceramic laminate fractured, and when a 20 N load was applied, an excessive wear of the metal roller occurred. Conclusion: (1) The material used did not affect the fracture load of ultra-thin ceramic laminates when the static test was used. However, the failure mode was significantly different, as porcelain suffered more chipping than the lithium disilicate; which, in turn, showed most fails related to the tooth structure. (2) It was not possible to determine the combination of the mechanical cycling parameters that would allow the determination of fatigue parameters for ultra-thin ceramic laminates, since the maximum number of cycles reached was 536,818 cycles. In this way, future studies need to be carried out so that a clinically relevant methodology can be developed to determine the fatigue parameters of ultra-thin ceramic laminates in the anterior teeth.

Capítulo 1. Objetivos: Medir e comparar o perfil de tensão residual da cerâmica de recobrimento aplicada sobre infraestruturas em zircônia tetragonal policristalina estabilizada por ítria (Y-TZP), em um compósito de alumina/zircônia (ZTA) e em uma alumina policristalina (AL). Material e Métodos: Os perfis de tensão residual de cada um dos materiais foi medido por meio do método \"hole-drilling\" em discos de 19 mm de diâmetro e 2,2 mm de espessura (0,7 mm de infraestrutura + 1,5 mm de porcelana de cobertura) .Resultados: Os espécimes de AL exibiram tensões de compressão que aumentaram numericamente com a profundidade, enquanto que as tensões compressivas mudaram para tensões de tração no interior das amostras de Y-TZP. As amostras de ZTA exibiram tensões de compressão na superfície, decrescendo com a profundidade até 0,6 mm, tornando-se compressivas novamente próximo à infraestrutura. Conclusão: O ZTA não apresentou tensões de tração em nenhum ponto ao longo da espessura da cerâmica de recobrimento. A AL apresentou um perfil de tensão residual mais favorável, gerado pelas tensões compressivas. A Y-TZP apresentou o perfil mais desfavorável, por apresentar tensões de tração próximo à infraestrutura. Capítulo 2. Objetivos: 1) Comparar os coeficientes de susceptibilidade ao crescimento subcrítico (n), de uma zircônia tetragonal policristalina estabilizada por ítria, obtidos por meio de dois ensaios de fadiga: cíclica e dinâmica. 2) Verificar o efeito da frequência usada no ensaio de fadiga cíclica no tempo de vida característico. Material e Métodos: Espécimes em forma de barras (25 mm x 4 mm x 3 mm) foram confeccionadas de acordo com as recomendações do fabricante. Os ensaios de fadiga dinâmica (n=70) e de fadiga cíclica (n=75) foram realizados por meio de resistência à flexão em quatro pontos para a obtenção dos parâmetros de crescimento de trincas subcrítico (SCG). O ensaio de fadiga cíclica também foi realizado em duas frequências (2 e 10 Hz), utilizando valores de tensão máxima entre 350 e 600 MPa. Todos os espécimes fraturados foram inspecionados em microscópio eletrônico de varredura para que fosse identificada a origem da fratura. Os dados de fadiga dinâmica foram analisados por meio das fórmulas apresentadas na ASTM C 1368-00. Os dados de fadiga cíclica foram analisados por meio da estatística de Weibull e por meio de análise tipo \"General Log Linear Model\". Resultados: A Y-TZP apresentou valores dos parâmetros de SCG obtidos no ensaio de fadiga dinâmica de ?fo = 667 MPa e n = 54. Os parâmetros de Weibull obtidos a partir dos resultados do mesmo ensaio foram de m = 7,9, ?0 = 968,9 MPa e ?5% = 767 MPa. Os parâmetros de Weibull obtidos no ensaio de fadiga cíclica foram estatisticamente semelhantes para as duas frequências utilizadas, o m* foi de 0,17 para 2Hz e de 0,21 10Hz; os tempos de vida característicos (?, em número de ciclos) foram de 1,93 x 106 e 40.768, respectivamente para 2 e 10 Hz. O valor de n obtido na fadiga cíclica foi de 48 e 40, nas frequências de 2 e 10 Hz, respectivamente. Não foi observado o efeito da frequência da aplicação da tensão, do nível de tensão, nem da interação dos dois no tempo de vida da Y-TZP, quando analisados pelo General Log Linear Model. Conclusão: Os coeficientes de susceptibilidade ao crescimento subcrítico (n) obtidos por meio de fadiga cíclica e dinâmica foram semelhantes para a Y-TZP testada. Os extensos intervalos de confiança obtidos nos ensaios de fadiga cíclica indicaram não haver efeito da frequência usado nesse método de fadiga nos tempos de vida característicos da Y-TZP testada. / Chapter 1. Objective: was: to measure and compare the residual stress profile in the veneering ceramic layered on three different polycrystalline ceramic frame-work materials: Y-TZP, alumina polycrystalline (AL) and zirconia toughened alumina (ZTA).Materials and Methods. The stress profile was measured with the hole-drilling method in bilayered disk samples of 19 mm diameter with a 0.7 mm thick Y-TZP, AL or ZTA framework and a 1.5 mm thick layer of the corresponding veneering ceramic. Results: The AL samples exhibited increasing compressive stresses with depth, while compressive stresses switching into interior tensile stresses were measured in Y-TZP samples. ZTA samples exhibited compressive stress at the ceramic surface, decreasing with depth up to 0.6 mm from the surface, and then becoming compressive again near the framework. Conclusions: Y-TZP samples exhibited a less favorable stress profile than those of AL and ZTA samples. Chapter 2. Objectives: 1) To compare the stress corrosion coefficient (n) of a Y-TZP, obtained by two fatigue tests: cyclic and dynamic and 2) Evaluate the effect of frequency used in the cyclic fatigue test in the characteristic lifetime. Methods: Bar shaped specimens (4 mm x 25 mm x 3 mm) were prepared according to the manufacturer\'s recommendations. The dynamic fatigue test (n = 70) and cyclic fatigue (n = 75) were performed by four-point bending to obtain the slow crack growth parameters (n) .The cyclic fatigue test was also conducted in two frequencies (2 and 10Hz), using stress levels between 350 and 600 MPa. All fractured specimens were inspected by SEM so that the origin of the fracture were identified. The dynamic fatigue data were analyzed using the formulas given in ASTM C 1368-00. Cyclic fatigue data were analyzed using Weibull statistics and by the Log General Linear Model. Results: The material showed values of parameters obtained in the SCG assay dynamic fatigue ?fo = 667 and n = 54. The Weibull parameters obtained from the same test results were m = 7.9, ?0 = 968, 9 and ?5% = 767. The Weibull parameters obtained by cyclic fatigue were statistically similar for the two frequencies used, the m* was 0.17 (2 Hz) and 0.21 (10 Hz); characteristic lifetimes (?) were 1.93 x 106 and 40768, respectively. The n value obtained by cyclic fatigue was 48 and 40 at frequencies of 2 and 10 Hz, respectively. There was no effect of the frequency, the stress level or the interaction of the two in the Y-TZP lifetime, when analyzed by General Log Linear Model. Conclusion: The n values obtained by cyclic and dynamic fatigue tests were similar to Y-TZP tested. The extensive confidence intervals obtained in cyclic fatigue tests showed no effect of frequency used this method in fatigue characteristic lifetimes of the Y-TZP tested.

Foram ensaiadas quatro cerâmicas VMK 95, Omega 900, IPS d. Sign e Cergogold. Os ensaios realizados foram: 1) resistência de união, por ensaio de tração, à dentina humana, de cones (6 x 3 x 5mm) de cerâmica, unidos por meio de cimentos fosfato de zinco, resinosos Rely X e Panávia F (n=10); 2) rugosidade pelos parâmetros Ra, Rt, Ry, Rz e Rp, de superfícies tratadas com ácido fluorídrico a 10% e polidas (n=10); 3) durezas Knoop e Vickers (n=4); 4) análise por microscopia de força atômica de superfícies polidas apenas (n=5). Os dados foram analisados pela análise de variância e testes de Tukey foram feitos quando necessário. A resistência de união com o fosfato de zinco e o parâmetro de rugosidade Ra foram analisados em separado, por apresentarem variâncias bem menores que as correspondentes aos demais agentes cimentantes e parâmetros. Os resultados mostraram que a resistência de união com o fosfato de zinco foi muito baixa (1,61 a 2,91MPa), nas condições dos ensaios. Com cimentos resinosos a resistência média variou de 16,61 a 18,47MPa. O cimento Rely X apresentou menor resistência em média, mas isto também depende da cerâmica.As rugosidades das superfícies tratadas com ácido fluorídrico a 10% foram bem maiores do que nas polidas. Nessas o parâmetro Ra variou de 2,15 a 4,26µm e os demais parâmetros de 10,99 a 21,93µm. Nas superfícies polidas o Ra variou de 0,53 a 0,84µm. Os demais parâmetros apresentaram médias de 2,01 a 5,23µm. A dureza Knoop variou de 418,9 a 493,8 kgf/mm2 e a Vickers de 492,5 a 572,2 kgf/mm2. Esta última apresentou valores maiores. A microscopia de força atômica permitiu visualizar irregularidades de superfícies. As principais conclusões foram: o cimento de fosfato de zinco, na condição do ensaio (por tração) apresentou resistência de união muito baixa; com os cimentos resinosos a resistência de união foi bem alta; as rugosidades foram muito altas após o tratamento superficial com ácido fluorídrico a 10%, mas, as polidas apresentaram valores bem baixos; as durezas Vickers fornecem valores maiores que a Knoop. / Four ceramics (VMK 95, Omega 900, IPS d.Sign and Cergogold) were tested regarding: 1) tensile bond strength to human dentin of ceramic cones (6 x 3 x 5mm), cemented with zinc phosphate, and resin cements, Rely X and Panávia F (n=10); 2) roughness by means of parameters Ra, Rt, Ry, Rz and Rp, of HF (10%) surface treated and polished surfaces (n=10); 3) Knoop and Vickers hardness (n=4); 4) atomic force microscopy; only of polished surfaces (n=5). Data were analyzed by ANOVA and when necessary were used Tukey’s tests. Tensile bond strength with zinc phosphate cement and Ra roughness parameter were analyzed separately because of their low variances when compared with those of resin cements and the other roughness parameter. Results showed that tensile bond strength of zinc phosphate was very low (1.61 to 2.91MPa) in this test condition (tensile test). Resin cements presented tensile bond strength at range 16.61 to 18.47MPa. Cement Rely X presented lower strength, but it depends also of ceramic. HF (10%) treated surfaces presented much higher roughness than polished ones. In HF (10%) treated surfaces parameter Ra ranged from 2.15 to 4.26µm and the other parameter ranged from 10.99 to 21.93µm. Roughness of polished surfaces Ra ranged from 0.53 to 0.84µm. Range of the other parameter was from 2.01 to 5.23µm. Knoop hardness ranged from 418.9 to 493.8 kgf/mm2 and Vicker’s from 492.5 to 572.2 kgf/mm2. This type presented higher values. Atomic force microscopy permited good vision of surface irregularities. Main conclusions were: zinc phosphate cement at test conditions (tensile) presented low bond strength; resin cements presented high tensile bond strength; surface treatment with HF (10%) led to high roughness but in polished one it was low; Vicker’s hardness presented higher values than Knoop one.

[pt] Materiais à base de zircônia apresentam excelentes propriedades mecânicas, estabilidade química e dimensional, tenacidade, juntamente com um módulo de Young na mesma ordem de grandeza de ligas de aço inoxidável. Devido à essas características, a zircônia tem sido utilizada em uma ampla gama de aplicações, incluindo a fabricação de peças protéticas. As modificações na composição da zircônia e o desenvolvimento do CAD-CAM (computer assisted design) fizeram com que as próteses à base de zircônia se tornassem um procedimento clinico frequentemente realizado na atual Odontologia restauradora. Blocos pré-sinterizados de zircônia, fabricados industrialmente, homogêneos e com falhas mínimas são usinados em um ambiente industrial controlado para receberem a forma desejada. Após a usinagem, as peças em zircônia são sinterizadas para promover sua densificação final. Este processo reduz os possíveis defeitos criados por etapas laboratoriais manuais e intermediárias na confecção de restaurações dentárias. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito da degradação hidrotérmica e do jateamento com óxido de alumínio nas propriedades mecânicas de três tipos de zircônia tetragonal policristalina estabilizada por ítria (ZTPI). Três tipos de zircônias contendo diferentes concentrações de ítria e grau de translucidez foram utilizadas: ZTPI com 5,2 por cento mol (Prettau Anterior Super-Translúcida da Zirkonzahn), ZTPI com 3 por cento mol de Y2O3 (VIPI Block Zirconn) e ZTPI com 3 por cento mol de Y2O3 com translucidez melhorada (VIPI Block Zirconn Translucent). Todas indicadas para uso em próteses odontológicas monolíticas. 15 corpos de prova de cada zircônia testada foram sinterizados e divididos em três grupos de acordo com otratamento de superfície e processo de degradação. No Grupo I as zircônias sofreram jateamento com óxido de alumino. No grupo II as zircônias foram lixadas e polidas. No grupo III as zircônias foram lixadas, polidas, recuperadas e degradadas em reator hidrotérmico por 5 horas a 134 graus Celsius e 2 bar. Para a caracterização microestrutural foram realizados ensaios de difração de raios-X, espectrometria Raman, densidade relativa, microdureza Vickers, rugosidade superficial e análise de tamanho médio de grão por MEV. Os resultados mostraram que a densidade de todos os grupos ficou acima de 99 por cento e que a degradação promoveu a transformação de fase monoclínica e afetou os valores de resistência à flexão. No entanto, a indicação clínica das cerâmicas não foi alterada. O tamanho médio de grão ficou entre 0,367 e 0,621 micrômetros. A dureza e tenacidade à fratura do material não sofreram alterações em função do teor de ítria ou das fases cristalinas presentes. A degradação não afetou de forma significativa os valores de rugosidade, porém, o jateamento com óxido de alumínio não só afetou os valores de flexão como alterou a indicação clínica de cerâmicas utilizadas neste trabalho. / [en] Zirconia-based materials present excellent mechanical properties, tenacity, chemical, and dimensional stability as well as their Young modulus is similar to stainless steel alloys. Due to these characteristics, zirconia has been largely applied in the fabrication of dental prostheses. Modifications in the zirconia composition and the development of CAD-CAM systems has allowed zirconia-based restorations to become a common clinical procedure in current dentistry. Fully sintered and homogeneous blocks from industry are machined at controlled environments seeking to obtain the desired geometry of the restorations. After the machining process, the restorations are sintered to improve their density. This process reduces the failures caused by manual and laboratorial manipulations during fabrication procedure. The aim of this study is to evaluate the effect of hydrothermal aging and sandblasting with aluminum oxide on the mechanical properties of three Yttria-containing tetragonal zirconia polycrystalline (Y-TZP). Three types of Y-TZP, containing different yttria dioxide, were used in the study: Y-TZP with 5,2 per cent mol Y2O3 (Prettau Anterior Super-Translúcida da Zirkonzahn), Y-TZP with 3 per cent mol de Y2O3 (VIPI Block Zirconn) and Y-TZP with 3 per cent mol Y2O3 and optimized translucency (VIPI Block Zirconn Translucent). All the zirconias are indicated for being used as monolithic restorations. 15 specimens from each zirconia tested were sintered and distributed to three groups according to the surface treatment and the aging process. In the group I, the specimens were sandblasted with aluminum oxide particles. For the group II, the zirconia specimens were abraded and polished. In the group III, the specimens were abraded, polished, recovered and aged in a reactor controller for 5 hours at 134 degrees Celsius and 2 bar. The characterization of the zirconia microstructure has been carried out by means of: X-ray diffraction, relative density, Raman spectroscopy, Vickers microhardness, superficial roughness. In addition, the average grain size analysis by scanning electron microscopy were made. The results show that the relative density values were above 99 per cent, and that the hydrothermal aging causes monoclinic phase transformation and affects flexural strength values. However, the clinical indications of materials did not change. The average grain size was between 0.367 and 0.621. The microhardness and tenacity values of materials did not change by yttria concentration or crystallographic phases. The roughness values were not significantly affected by the hydrothermal aging. On the other hand, the flexural strength values were affected by sandblasting process and clinical indication of ceramics tested was changed.

Objetivos: aprofundar na interpretação dos dados obtidos pelo teste de lascamento da aresta, com espécime em formato de barra ou de coroa, para verificar se o ensaio é capaz de reproduzir o resultado já conhecido na clínica de que porcelana sobre zircônia apresenta maior facilidade de lascamento do que porcelana sobre metal, quando o resfriamento rápido é adotado. Material e método: o teste de lascamento da aresta foi aplicado em espécimes com dois formatos: barras (monolíticas: de VM13, VM9 ou zircônia; ou em duas camadas: de VM13-metal ou VM9-zircônia) e coroas (sempre com duas camadas). Nas barras monolíticas (5 mm x 32 mm x 2,5 mm) foi realizada uma análise da microestrutura para avaliar eventuais diferenças entre a VM13 e a VM9, que poderiam interferir na interpretação de diferenças encontradas nos espécimes de duas camadas. As barras com duas camadas (5 mm x 32 mm x 2,2 mm, com infraestrutura de 0,7 mm e porcelana de 1,5) receberam dois protocolos de resfriamento (lento e rápido) e foram testadas em duas direções de carregamento (paralela ou perpendicular à interface). Para estes espécimes foram avaliadas as tensões térmicas residuais por análise por elementos finitos. Para as coroas (correspondentes ao primeiro molar inferior, com infraestrutura de 0,7 mm de espessura), foram utilizados os mesmos protocolos de resfriamento das barras de duas camadas. As superfícies de fraturas de todos os espécimes foram analisadas em estereomicroscópio com um aumento de 20x a 50x. Os dados de lascamento foram analisados através de diferentes abordagens apresentadas na literatura, sendo o parâmetro ReA (resistência ao lascamento), correspondente à média de todas as razões de força necessária para criar a lasca pela distância da aresta (N/mm), o escolhido para comparar os vários grupos experimentais. Resultados: não foram encontradas diferenças estatisticamente significantes entre as resistências ao lascamento das porcelanas, apesar da VM13 apresentar maior fração de área de leucita. Nas barras de duas camadas resfriadas lentamente e carregadas na direção perpendicular à interface, a zircônia proporcionou resistência ao lascamento da porcelana estatisticamente superior à proporcionada pelo metal. Quando o resfriamento rápido foi utilizado ou quando o carregamento foi paralelo à interface, o teste não foi capaz de evidenciar diferenças entre os grupos. Nas coroas submetidas ao resfriamento rápido, o metal proporcionou resistência ao lascamento da porcelana estatisticamente superior à proporcionada pela zircônia. Quando o resfriamento lento foi utilizado, o teste não foi capaz de evidenciar diferenças entre grupos com materiais de infraestrutura distintos. Conclusão: O ensaio de lascamento em coroas reproduziu melhor que o ensaio de lascamento em barras a resistência ao lascamento relatada na clínica. Assim, esforços em aprimorar o teste utilizando espécimes com geometria mais semelhante à da coroa são importantes. / Aim: To deepen the investigation of the edge chipping method when using either bar or crown-shaped specimens, to verify whether the test is able to reproduce the well-known clinical outcome that veneered zirconia is more prone to chipping than porcelain-fused-to-metal when the fast cooling protocol is used. Materials and methods: edge chipping test was conducted with different shaped specimens: bars (monolithic: VM13, VM9 or zirconia; or bilayers: VM13-metal and VM9-zirconia) and bi-layer crowns. A microstructure analysis was performed on the monolithic bars (5 mm x 32 mm x 2.5 mm) to evaluate possible differences between VM13 and VM9, that could account for differences on bilayer specimens data. The bilayer bars (5 mm x 32 mm x 2.2 mm, 0.7 mm and 1.5 porcelain infrastructure) were subjected to two cooling protocols (slow and fast) and load was applied in two directions (parallel or perpendicular to the interface). For bilayer bars, residual thermal stresses were evaluated using finite element analysis. For crown-shaped specimens (corresponding to the first molar, with 0.7 mm framework thickness), the cooling protocol was the same employed for bilayer bars. The fractured surfaces of all specimens were examined utilizing a stereomicroscope at a magnification from 20x up to 50x. The edge chipping data were analyzed by several approaches presented in the literature, the ReA parameter (chipping resistance), corresponding to the average of force versus distance data collected over a broad range (N / mm), was chosen to compare the different experimental groups. Results: There was no significant difference between the veneers for chipping resistance, despite that VM13 presented the highest leucite content. On bilayer bars with slow cooling protocol and loading perpendicular to the interface, zirconia provided significantly higher chipping resistance than metal-based specimens. Edge chipping test was not able to detect differences between groups when fast cooling was used or loading was applied parallel to the interface. When crowns were subject to fast cooling, results revealed that metal framework has significantly higher veneer chipping resistance than zirconia. When the slow cooling protocol was used, differences between groups with different frameworks were not observed using edge chipping test. Conclusion: The chipping test on crowns reproduced the chipping resistance reported clinically better than bar-shaped specimens. Thus, efforts to improve the test using specimens more similar to the crown geometry are important.

Objetivos: (1) determinar a carga de fratura e o modo de falha de laminados cerâmicos ultrafinos processados via CAD-CAM em função da microestrutura do material (vitrocerâmica à base de dissilicato de lítio ou porcelana à base de leucita); (2) desenvolver metodologia de ciclagem mecânica para determinar o tempo de vida e o modo de falha de laminados cerâmicos ultrafinos processados via CADCAM. Materiais e métodos: dezesseis dentes humanos, incisivos centrais superiores, foram utilizados para confecção dos espécimes. Os dentes sofreram mínimo preparo, em esmalte, para adequada adaptação dos laminados cerâmicos ultrafinos. Os laminados de dissilicato de lítio e de porcelana foram confeccionados via CAD-CAM e cimentados com cimento resinoso sobre os dentes. Quatro espécimes de cada grupo foram levados à máquina de ensaios universal para determinação da carga de fratura dos laminados. Para o desenvolvimento de metodologia para determinação do tempo de vida dos laminados, uma série de testes piloto foi realizada, utilizando-se diferentes parâmetros como: tipo de antagonista (dentes naturais ou roletes metálicos), carga aplicada (20, 30 ou 40 N) e esquema de ciclo mastigatório (incisão ou deslizamento). Os padrões de falha dos laminados foram analisados em um estereomicroscópio, e os resultados obtidos no ensaio de carga de fratura foram analisados por ANOVA e teste de Tukey. Resultados: o valor médio obtido de carga de fratura para o dissilicato de lítio foi de 431,8 ± 217,9 N, enquanto que para a porcelana foi de 454,4 ± 72,1 N. Não houve diferença estatística entre os valores de carga de fratura encontrados, porém, o desvio padrão e o coeficiente de variação da vitrocerâmica foram muito superiores em relação aos da porcelana. Houve diferença no modo de falha dos materiais testados, sendo que a porcelana apresentou um maior número de falha por lascamento e o dissilicato de lítio apresentou maior quantidade de falha da estrutura dental. Na ciclagem mecânica, para cada condição testada, uma resposta diferente foi obtida. No tipo de ciclo incisão, os antagonistas (dente natural) fraturaram quando as cargas de 30 N e 40 N foram aplicadas. No tipo de ciclo deslizamento, o antagonista (dente natural) sofreu desgaste da borda incisal com carga de 30 N. Para o antagonista rolete metálico, quando a carga de 30 N foi aplicada ocorreu fratura do laminado, e quando aplicada a carga de 20 N, houve desgaste excessivo do rolete metálico. Conclusão: (1) o material utilizado não afetou a carga de fratura dos laminados cerâmicos ultrafinos quando o teste estático foi utilizado. Entretanto, o modo de falha foi significativamente diferente, sendo que a porcelana sofreu mais lascamentos do que o dissilicato de lítio; o qual, por sua vez, apresentou a maioria das falhas relacionadas à estrutura dental. (2) Não foi possível determinar uma combinação de parâmetros de ciclagem mecânica que permitisse a determinação dos parâmetros de fadiga para laminados cerâmicos ultrafinos, já que o número máximo de ciclos alcançados foi de 536.818 ciclos. Dessa forma, estudos futuros precisam ser realizados para que uma metodologia apropriada permita determinar parâmetros de fadiga clinicamente relevantes para laminados cerâmicos ultrafinos em dentes anteriores. / Objectives: (1) to determine the fracture load and the failure mode of the ultra-thin ceramic laminates processed via CAD-CAM according to the microstructure of the material (lithium disilicate-based glass-ceramic or leucite-based porcelain); (2) to develop a fatigue methodology capable of determining the lifetime of ultra-thin ceramic laminates processed via CAD-CAM. Materials and methods: sixteen human maxillary central incisors were used to produce the specimens. The teeth required minimal preparation on the enamel for proper adaptation of the ultra-thin ceramic laminates. Ceramic laminates made of lithium disilicate and feldspathic porcelain with thicknesses between 0.3 mm to 0.5 mm were produced via CAD-CAM and cemented with resin cement. Four specimens of each group were taken to a universal testing machine to determine the fracture load of the laminates. For the development of a fatigue methodology, a series of pilot tests was performed using different parameters such as: type of antagonist (natural teeth or metal roller), applied load (20, 30 or 40 N), and type of masticatory cycle (incision or sliding). Failure modes were analysed using a stereomicroscope. Fracture load data were analysed by ANOVA and Tukey\'s test. Results: the mean fracture load obtained for the glass-ceramic was 431.8 ± 217.9 N, while that obtained for the porcelain was 454.4 ± 72.1 N. There was no statistical difference between the mean fracture load values; however, the standard deviation and the coefficient of the variation of the glass-ceramic were both higher than those obtained for the porcelain. There was also a difference in the failure modes for the two materials tested. The porcelain showed a higher number of factures due to chipping and the lithium disilicate showed a higher number of tooth structure failure. The fatigue experiment showed different results depending on the condition analysed. In the incision cycle, the antagonists (natural tooth) fractured when loads of 30 N and 40 N were applied. In the slide type of cycle, the antagonist (natural tooth) suffered wear on the incisal edge after applying 30 N of load. For the metal roller antagonist, when a 30 N load was applied, the ceramic laminate fractured, and when a 20 N load was applied, an excessive wear of the metal roller occurred. Conclusion: (1) The material used did not affect the fracture load of ultra-thin ceramic laminates when the static test was used. However, the failure mode was significantly different, as porcelain suffered more chipping than the lithium disilicate; which, in turn, showed most fails related to the tooth structure. (2) It was not possible to determine the combination of the mechanical cycling parameters that would allow the determination of fatigue parameters for ultra-thin ceramic laminates, since the maximum number of cycles reached was 536,818 cycles. In this way, future studies need to be carried out so that a clinically relevant methodology can be developed to determine the fatigue parameters of ultra-thin ceramic laminates in the anterior teeth.

Foram ensaiadas quatro cerâmicas VMK 95, Omega 900, IPS d. Sign e Cergogold. Os ensaios realizados foram: 1) resistência de união, por ensaio de tração, à dentina humana, de cones (6 x 3 x 5mm) de cerâmica, unidos por meio de cimentos fosfato de zinco, resinosos Rely X e Panávia F (n=10); 2) rugosidade pelos parâmetros Ra, Rt, Ry, Rz e Rp, de superfícies tratadas com ácido fluorídrico a 10% e polidas (n=10); 3) durezas Knoop e Vickers (n=4); 4) análise por microscopia de força atômica de superfícies polidas apenas (n=5). Os dados foram analisados pela análise de variância e testes de Tukey foram feitos quando necessário. A resistência de união com o fosfato de zinco e o parâmetro de rugosidade Ra foram analisados em separado, por apresentarem variâncias bem menores que as correspondentes aos demais agentes cimentantes e parâmetros. Os resultados mostraram que a resistência de união com o fosfato de zinco foi muito baixa (1,61 a 2,91MPa), nas condições dos ensaios. Com cimentos resinosos a resistência média variou de 16,61 a 18,47MPa. O cimento Rely X apresentou menor resistência em média, mas isto também depende da cerâmica.As rugosidades das superfícies tratadas com ácido fluorídrico a 10% foram bem maiores do que nas polidas. Nessas o parâmetro Ra variou de 2,15 a 4,26µm e os demais parâmetros de 10,99 a 21,93µm. Nas superfícies polidas o Ra variou de 0,53 a 0,84µm. Os demais parâmetros apresentaram médias de 2,01 a 5,23µm. A dureza Knoop variou de 418,9 a 493,8 kgf/mm2 e a Vickers de 492,5 a 572,2 kgf/mm2. Esta última apresentou valores maiores. A microscopia de força atômica permitiu visualizar irregularidades de superfícies. As principais conclusões foram: o cimento de fosfato de zinco, na condição do ensaio (por tração) apresentou resistência de união muito baixa; com os cimentos resinosos a resistência de união foi bem alta; as rugosidades foram muito altas após o tratamento superficial com ácido fluorídrico a 10%, mas, as polidas apresentaram valores bem baixos; as durezas Vickers fornecem valores maiores que a Knoop. / Four ceramics (VMK 95, Omega 900, IPS d.Sign and Cergogold) were tested regarding: 1) tensile bond strength to human dentin of ceramic cones (6 x 3 x 5mm), cemented with zinc phosphate, and resin cements, Rely X and Panávia F (n=10); 2) roughness by means of parameters Ra, Rt, Ry, Rz and Rp, of HF (10%) surface treated and polished surfaces (n=10); 3) Knoop and Vickers hardness (n=4); 4) atomic force microscopy; only of polished surfaces (n=5). Data were analyzed by ANOVA and when necessary were used Tukey’s tests. Tensile bond strength with zinc phosphate cement and Ra roughness parameter were analyzed separately because of their low variances when compared with those of resin cements and the other roughness parameter. Results showed that tensile bond strength of zinc phosphate was very low (1.61 to 2.91MPa) in this test condition (tensile test). Resin cements presented tensile bond strength at range 16.61 to 18.47MPa. Cement Rely X presented lower strength, but it depends also of ceramic. HF (10%) treated surfaces presented much higher roughness than polished ones. In HF (10%) treated surfaces parameter Ra ranged from 2.15 to 4.26µm and the other parameter ranged from 10.99 to 21.93µm. Roughness of polished surfaces Ra ranged from 0.53 to 0.84µm. Range of the other parameter was from 2.01 to 5.23µm. Knoop hardness ranged from 418.9 to 493.8 kgf/mm2 and Vicker’s from 492.5 to 572.2 kgf/mm2. This type presented higher values. Atomic force microscopy permited good vision of surface irregularities. Main conclusions were: zinc phosphate cement at test conditions (tensile) presented low bond strength; resin cements presented high tensile bond strength; surface treatment with HF (10%) led to high roughness but in polished one it was low; Vicker’s hardness presented higher values than Knoop one.

Capítulo 1. Objetivos: Medir e comparar o perfil de tensão residual da cerâmica de recobrimento aplicada sobre infraestruturas em zircônia tetragonal policristalina estabilizada por ítria (Y-TZP), em um compósito de alumina/zircônia (ZTA) e em uma alumina policristalina (AL). Material e Métodos: Os perfis de tensão residual de cada um dos materiais foi medido por meio do método \"hole-drilling\" em discos de 19 mm de diâmetro e 2,2 mm de espessura (0,7 mm de infraestrutura + 1,5 mm de porcelana de cobertura) .Resultados: Os espécimes de AL exibiram tensões de compressão que aumentaram numericamente com a profundidade, enquanto que as tensões compressivas mudaram para tensões de tração no interior das amostras de Y-TZP. As amostras de ZTA exibiram tensões de compressão na superfície, decrescendo com a profundidade até 0,6 mm, tornando-se compressivas novamente próximo à infraestrutura. Conclusão: O ZTA não apresentou tensões de tração em nenhum ponto ao longo da espessura da cerâmica de recobrimento. A AL apresentou um perfil de tensão residual mais favorável, gerado pelas tensões compressivas. A Y-TZP apresentou o perfil mais desfavorável, por apresentar tensões de tração próximo à infraestrutura. Capítulo 2. Objetivos: 1) Comparar os coeficientes de susceptibilidade ao crescimento subcrítico (n), de uma zircônia tetragonal policristalina estabilizada por ítria, obtidos por meio de dois ensaios de fadiga: cíclica e dinâmica. 2) Verificar o efeito da frequência usada no ensaio de fadiga cíclica no tempo de vida característico. Material e Métodos: Espécimes em forma de barras (25 mm x 4 mm x 3 mm) foram confeccionadas de acordo com as recomendações do fabricante. Os ensaios de fadiga dinâmica (n=70) e de fadiga cíclica (n=75) foram realizados por meio de resistência à flexão em quatro pontos para a obtenção dos parâmetros de crescimento de trincas subcrítico (SCG). O ensaio de fadiga cíclica também foi realizado em duas frequências (2 e 10 Hz), utilizando valores de tensão máxima entre 350 e 600 MPa. Todos os espécimes fraturados foram inspecionados em microscópio eletrônico de varredura para que fosse identificada a origem da fratura. Os dados de fadiga dinâmica foram analisados por meio das fórmulas apresentadas na ASTM C 1368-00. Os dados de fadiga cíclica foram analisados por meio da estatística de Weibull e por meio de análise tipo \"General Log Linear Model\". Resultados: A Y-TZP apresentou valores dos parâmetros de SCG obtidos no ensaio de fadiga dinâmica de ?fo = 667 MPa e n = 54. Os parâmetros de Weibull obtidos a partir dos resultados do mesmo ensaio foram de m = 7,9, ?0 = 968,9 MPa e ?5% = 767 MPa. Os parâmetros de Weibull obtidos no ensaio de fadiga cíclica foram estatisticamente semelhantes para as duas frequências utilizadas, o m* foi de 0,17 para 2Hz e de 0,21 10Hz; os tempos de vida característicos (?, em número de ciclos) foram de 1,93 x 106 e 40.768, respectivamente para 2 e 10 Hz. O valor de n obtido na fadiga cíclica foi de 48 e 40, nas frequências de 2 e 10 Hz, respectivamente. Não foi observado o efeito da frequência da aplicação da tensão, do nível de tensão, nem da interação dos dois no tempo de vida da Y-TZP, quando analisados pelo General Log Linear Model. Conclusão: Os coeficientes de susceptibilidade ao crescimento subcrítico (n) obtidos por meio de fadiga cíclica e dinâmica foram semelhantes para a Y-TZP testada. Os extensos intervalos de confiança obtidos nos ensaios de fadiga cíclica indicaram não haver efeito da frequência usado nesse método de fadiga nos tempos de vida característicos da Y-TZP testada. / Chapter 1. Objective: was: to measure and compare the residual stress profile in the veneering ceramic layered on three different polycrystalline ceramic frame-work materials: Y-TZP, alumina polycrystalline (AL) and zirconia toughened alumina (ZTA).Materials and Methods. The stress profile was measured with the hole-drilling method in bilayered disk samples of 19 mm diameter with a 0.7 mm thick Y-TZP, AL or ZTA framework and a 1.5 mm thick layer of the corresponding veneering ceramic. Results: The AL samples exhibited increasing compressive stresses with depth, while compressive stresses switching into interior tensile stresses were measured in Y-TZP samples. ZTA samples exhibited compressive stress at the ceramic surface, decreasing with depth up to 0.6 mm from the surface, and then becoming compressive again near the framework. Conclusions: Y-TZP samples exhibited a less favorable stress profile than those of AL and ZTA samples. Chapter 2. Objectives: 1) To compare the stress corrosion coefficient (n) of a Y-TZP, obtained by two fatigue tests: cyclic and dynamic and 2) Evaluate the effect of frequency used in the cyclic fatigue test in the characteristic lifetime. Methods: Bar shaped specimens (4 mm x 25 mm x 3 mm) were prepared according to the manufacturer\'s recommendations. The dynamic fatigue test (n = 70) and cyclic fatigue (n = 75) were performed by four-point bending to obtain the slow crack growth parameters (n) .The cyclic fatigue test was also conducted in two frequencies (2 and 10Hz), using stress levels between 350 and 600 MPa. All fractured specimens were inspected by SEM so that the origin of the fracture were identified. The dynamic fatigue data were analyzed using the formulas given in ASTM C 1368-00. Cyclic fatigue data were analyzed using Weibull statistics and by the Log General Linear Model. Results: The material showed values of parameters obtained in the SCG assay dynamic fatigue ?fo = 667 and n = 54. The Weibull parameters obtained from the same test results were m = 7.9, ?0 = 968, 9 and ?5% = 767. The Weibull parameters obtained by cyclic fatigue were statistically similar for the two frequencies used, the m* was 0.17 (2 Hz) and 0.21 (10 Hz); characteristic lifetimes (?) were 1.93 x 106 and 40768, respectively. The n value obtained by cyclic fatigue was 48 and 40 at frequencies of 2 and 10 Hz, respectively. There was no effect of the frequency, the stress level or the interaction of the two in the Y-TZP lifetime, when analyzed by General Log Linear Model. Conclusion: The n values obtained by cyclic and dynamic fatigue tests were similar to Y-TZP tested. The extensive confidence intervals obtained in cyclic fatigue tests showed no effect of frequency used this method in fatigue characteristic lifetimes of the Y-TZP tested.

Objetivos: aprofundar na interpretação dos dados obtidos pelo teste de lascamento da aresta, com espécime em formato de barra ou de coroa, para verificar se o ensaio é capaz de reproduzir o resultado já conhecido na clínica de que porcelana sobre zircônia apresenta maior facilidade de lascamento do que porcelana sobre metal, quando o resfriamento rápido é adotado. Material e método: o teste de lascamento da aresta foi aplicado em espécimes com dois formatos: barras (monolíticas: de VM13, VM9 ou zircônia; ou em duas camadas: de VM13-metal ou VM9-zircônia) e coroas (sempre com duas camadas). Nas barras monolíticas (5 mm x 32 mm x 2,5 mm) foi realizada uma análise da microestrutura para avaliar eventuais diferenças entre a VM13 e a VM9, que poderiam interferir na interpretação de diferenças encontradas nos espécimes de duas camadas. As barras com duas camadas (5 mm x 32 mm x 2,2 mm, com infraestrutura de 0,7 mm e porcelana de 1,5) receberam dois protocolos de resfriamento (lento e rápido) e foram testadas em duas direções de carregamento (paralela ou perpendicular à interface). Para estes espécimes foram avaliadas as tensões térmicas residuais por análise por elementos finitos. Para as coroas (correspondentes ao primeiro molar inferior, com infraestrutura de 0,7 mm de espessura), foram utilizados os mesmos protocolos de resfriamento das barras de duas camadas. As superfícies de fraturas de todos os espécimes foram analisadas em estereomicroscópio com um aumento de 20x a 50x. Os dados de lascamento foram analisados através de diferentes abordagens apresentadas na literatura, sendo o parâmetro ReA (resistência ao lascamento), correspondente à média de todas as razões de força necessária para criar a lasca pela distância da aresta (N/mm), o escolhido para comparar os vários grupos experimentais. Resultados: não foram encontradas diferenças estatisticamente significantes entre as resistências ao lascamento das porcelanas, apesar da VM13 apresentar maior fração de área de leucita. Nas barras de duas camadas resfriadas lentamente e carregadas na direção perpendicular à interface, a zircônia proporcionou resistência ao lascamento da porcelana estatisticamente superior à proporcionada pelo metal. Quando o resfriamento rápido foi utilizado ou quando o carregamento foi paralelo à interface, o teste não foi capaz de evidenciar diferenças entre os grupos. Nas coroas submetidas ao resfriamento rápido, o metal proporcionou resistência ao lascamento da porcelana estatisticamente superior à proporcionada pela zircônia. Quando o resfriamento lento foi utilizado, o teste não foi capaz de evidenciar diferenças entre grupos com materiais de infraestrutura distintos. Conclusão: O ensaio de lascamento em coroas reproduziu melhor que o ensaio de lascamento em barras a resistência ao lascamento relatada na clínica. Assim, esforços em aprimorar o teste utilizando espécimes com geometria mais semelhante à da coroa são importantes. / Aim: To deepen the investigation of the edge chipping method when using either bar or crown-shaped specimens, to verify whether the test is able to reproduce the well-known clinical outcome that veneered zirconia is more prone to chipping than porcelain-fused-to-metal when the fast cooling protocol is used. Materials and methods: edge chipping test was conducted with different shaped specimens: bars (monolithic: VM13, VM9 or zirconia; or bilayers: VM13-metal and VM9-zirconia) and bi-layer crowns. A microstructure analysis was performed on the monolithic bars (5 mm x 32 mm x 2.5 mm) to evaluate possible differences between VM13 and VM9, that could account for differences on bilayer specimens data. The bilayer bars (5 mm x 32 mm x 2.2 mm, 0.7 mm and 1.5 porcelain infrastructure) were subjected to two cooling protocols (slow and fast) and load was applied in two directions (parallel or perpendicular to the interface). For bilayer bars, residual thermal stresses were evaluated using finite element analysis. For crown-shaped specimens (corresponding to the first molar, with 0.7 mm framework thickness), the cooling protocol was the same employed for bilayer bars. The fractured surfaces of all specimens were examined utilizing a stereomicroscope at a magnification from 20x up to 50x. The edge chipping data were analyzed by several approaches presented in the literature, the ReA parameter (chipping resistance), corresponding to the average of force versus distance data collected over a broad range (N / mm), was chosen to compare the different experimental groups. Results: There was no significant difference between the veneers for chipping resistance, despite that VM13 presented the highest leucite content. On bilayer bars with slow cooling protocol and loading perpendicular to the interface, zirconia provided significantly higher chipping resistance than metal-based specimens. Edge chipping test was not able to detect differences between groups when fast cooling was used or loading was applied parallel to the interface. When crowns were subject to fast cooling, results revealed that metal framework has significantly higher veneer chipping resistance than zirconia. When the slow cooling protocol was used, differences between groups with different frameworks were not observed using edge chipping test. Conclusion: The chipping test on crowns reproduced the chipping resistance reported clinically better than bar-shaped specimens. Thus, efforts to improve the test using specimens more similar to the crown geometry are important.