Dental Material Testing Notes

Dental Material Testing

Niyom Thamrongananskul PhD.

Department of Prosthodontics

Faculty of Dentistry

Chulalongkorn University

Properties of Materials

  1. Mechanical Properties (สมบัติทางกล)

  2. Physical Properties (สมบัติทางกายภาพ)

Mechanical Properties (สมบัติทางกล)

Key Definitions

Stress = ความเค้น

Strain = ความเครียด

Tension = การดึง

Shear = การเฉือน

Compression = การกดอัด

Modulus = มอดุลัส

Strength = ความแข็งแรง

Hardness = ความแข็ง

Plastic deformation = การเสียรูปพลาสติก

ความเค้น (Stress)

ความเค้น (stress) หมายถึง แรงต้านทานภายในเนื้อวัสดุ ที่พยายามคงสภาพเดิมไว้ เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำ เพื่อไม่ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปจากเดิม แบ่งตามรูปแบบของแรงที่มากระทำได้ 3 ประเภท:

ความเค้นดึง (tensile stress)

ความเค้นอัด (compressive stress)

ความเค้นเฉือน (shear stress)

Types of Stress

Tension: ดึง

Shear: เฉือน (พื้นที่รับแรงเฉือน)

Compression: กดอัด

Greek Alphabet

Αα Alpha, Ββ Beta, Γγ Gamma, Δδ Delta, Εε Epsilon, Ζζ Zeta, Ηη Eta, Θθ Theta, Ιι Iota, Κκ Kappa, Λλ Lambda, Μμ Mu, Νν Nu, Ξξ Xi, Οο Omicron, Ππ Pi, Ρρ Rho, Σσς Sigma, Ττ Tau, Υυ Upsilon, Φφ Phi, Χχ Chi, Ψψ Psi, Ωω Omega

Tension Test

Formula:

σ=FAo\sigma = \frac{F}{Ao}

ϵ=Li−LoLo=ΔLLo\epsilon = \frac{Li - Lo}{Lo} = \frac{\Delta L}{L_o}

$\sigma$: Engineering stress

$\epsilon$: Engineering strain

$F$: Instantaneous force (N)

$A_o$: Original cross-section (m2m^2)

$L_i$: Instantaneous length

$L_o$: Original length

Compression Test

Formula:

σ=FAo\sigma = \frac{F}{Ao}

ϵ=Lo−LiLo=ΔLLo\epsilon = \frac{Lo - Li}{Lo} = \frac{\Delta L}{L_o}

$\sigma$: Engineering stress

$\epsilon$: Engineering strain

$F$: Instantaneous force (N)

$A_o$: Original cross-section (m2m^2)

$L_i$: Instantaneous length

$L_o$: Original length

Shear Test

Formula:

τ=F//Ao\tau = \frac{F{//}}{Ao}

γ=tanθ\gamma = tan \theta

$\tau$: Shear stress

$\gamma$: Shear strain

$F_{//}$: Instantaneous force parallel to the area (N)

$A_o$: Surface area (m2m^2)

$\theta$: Angle of deformation

Shear Test - Trigonometry

tanΘ=ข้ามชิด=oppositeadjacent=sinΘcosΘtan \Theta = \frac{ข้าม}{ชิด} = \frac{opposite}{adjacent} = \frac{sin \Theta}{cos \Theta}

Engineering Strain

γ=tanθ=xh\gamma = tan \theta = \frac{x}{h}

x = ระยะทางที่เฉือน (displacement)

h = ความสูงเดิม (original height)

Universal Testing Machine

A machine used for both tension and compression testing.

Components During Testing

Specimen (e.g., Concrete Cylinder, Anchor Cage, Anchor Bolt)

Extensometer: A strain measurement device used to measure the extension of a material under load.

Tensile Test Setup

Surface area (A0A_0)

Original Length (LoL_o)

Instantaneous Length (LiL_i)

Stress-Strain Curve

Yield Stress

Ultimate Tensile Strength

Breaking Stress

Stress-Strain Behavior: Linear Elastic Deformation

Hooke's Law: σ=Eϵ\sigma = E \epsilon

$\sigma$: Stress

$\epsilon$: Strain

$E$: Modulus of elasticity or Young's Modulus (Pa or psi) - Slope of the stress-strain curve in the elastic region

Units

Psi (Pound per Square Inch)

Pa (Pascal): 1Pa=1N/m21 Pa = 1 N/m^2

Engineering Stress vs True Stress

Engineering stress: σ=PAo\sigma = \frac{P}{A_o}

$P$: Load on the specimen

$A_o$: Original cross-sectional area

True stress: Load divided by the true area, which continues to be smaller due to the tensile load.

Engineering Strain

ϵ=l−l0l0\epsilon = \frac{l - l0}{l0}

$l$: Gage length at a given load

$l_0$: Original gage length with zero load

Modulus of Elasticity (Young’s Modulus)

E=σϵ=stressstrainE = \frac{\sigma}{\epsilon} = \frac{stress}{strain}

Modulus of Elasticity & Temperature

Material stiffness (given by the slope of the stress-strain curve).

Determined by the binding forces between atoms (structure insensitive property).

Cannot change E, but can improve by forming composites.

Only slightly affected by alloying addition, heat treatment, or cold work.

Temperature dependent

Typical Values of Modulus of Elasticity at Different Temperatures (GPa)

Material

Room Temp

447K

700K

810K

992K

Carbon steel

207

186

155

134

124

Austenitic stainless steel

193

176

159

155

145

Titanium alloys

114

97

74

70

-

Aluminum alloys

72

66

54

-

-

Young's Modulus & Stiffness

Higher E means greater stiffness (rigidity) and less deflection.

ความแข็งตรึง (Stiffness)

วัสดุที่มีความแข็งตรึงสูง จะมีค่าโมดูลัสยืดหยุ่นสูง สามารถรักษารูปร่าง และต่อต้านการเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้มากกว่าวัสดุที่มีความแข็งตรึงต่ำ หรือมีค่าโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำ

Ductile vs Brittle Material

A is a ductile material, and B is a brittle material.

Stress-Strain Curve Key Points

A: Proportional Limit

B: Elastic Limit

C: Yield Point

D: Ultimate Tensile Strength

E: Fracture or Breaking

Hooke's Law and the Stress-Strain Curve

σ=Eϵ\sigma = E \epsilon

O to A: Linear Elastic Region where Hooke's Law applies

A: Proportional Limit - the point up to which stress is proportional to strain

B: Elastic Limit - the point up to which material will return to original shape when the stress is removed

slope within A+B section = young's modulus

Yield Point

จุดคราก, จุด Jahnun

Yield refers to the phenomenon that the stress does not increase and the strain increases

C upper

C lower

Elastic vs Plastic Behavior

O-B: Elastic behavior

B-E: Plastic behavior

Plasticity

Describes the deformation of a material undergoing non-reversible changes of shape in response to applied forces.

Cold Working

ขึ้นรูปแบบเย็น Plastic deformation

Hot vs Cold Working

  1. Hot Working: ทำ ให้โลหะได้รับแรงในทางกล ณ อุณหภูมิที่สูงกว่า อุณหภูมิในการเกิดผลึกใหม่ (recrystallization) แต่จะต่ำ กว่าอุณหภูมิในการทำ ให้เกิดการหลอมเหลว (melting point) ของโลหะนั้น ๆ ตัวอย่างเช่น การตีเหล็ก การรีดร้อน

  2. Cold Working: กระบวนการรีด ขึ้นรูปเพื่อให้โลหะเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแบบถาวร ณ ที่อุณหภูมิต่ำ โดยที่ไม่เกิดผลึกใหม่ขึ้น ตัวอย่างขบวนการขึ้นรูปแบบเย็นประเภทต่าง ๆ: 2. การดัดงอ (Bending) 5. การดึง (Drawing)

    1. การรีดเย็น (Cold Rolling)

    2. การอัดรีด (Extruding)

    3. การบิดงอ (Squeezing)

    4. การรีดขึ้นรูป (Shear Spinning)

    5. การงอตรง (Straight Bending)

    6. การขึ้นรูปพิมพ์ลึก (Deep Drawing)

Drawing

การดึง (Drawing) results in a fibrous grain structure.

Deep Drawing

Process involving Punch, Pressure Ring, Disc to be formed, Die, Half Formed Cup and Formed Cup.

Stress-Strain Curve Regions

Elastic behavior: O-B

Plastic behavior: B-E

Cold working occurs mostly in plastic region.

Stress-Strain Curves for Different Materials

Shows stress-strain curves for various materials like SAE 1340 steel, Nickel alloy steel, Stainless steel, Titanium alloy, Aluminum alloy, Magnesium, and Structural steel.

Stress-Strain Curve of Steel and Aluminum

Steel: Exhibits upper and lower yield points.

Aluminum: Does not show a clear yield point; 0.2% offset method is used.

Determining Yield Point Using 0.2% Offset Method

For materials without a clear yield point (e.g., aluminum, copper), a line parallel to the initial linear portion of the stress-strain curve is drawn starting at 0.2% strain (0.002). The intersection of this line with the stress-strain curve defines the yield strength (Proof Stress).

Proof Stress

Also known as 0.1% or 0.2% offset stress.

Yield offset = offset yield

Engineering vs True Stress Measures

True stress accounts for the change in cross-sectional area as the loads are applied.

True Stress

As the strain increases and the cross-sectional area decreases, the true stress becomes larger than the engineering stress.

Nominal stress -> engi stress.

True stress helps in determining material safety.

Strain Hardening

Also known as work hardening. Occurs after yielding due to dislocation interactions making atomic plane movement difficult.

Stress-Strain Relationship

Slop > Slop; therefore, E > E

Formulae

Stress = FA\frac{F}{A}

E=σϵE = \frac{\sigma}{\epsilon}, where E∝1ϵE \propto \frac{1}{\epsilon}

ความแข็งตรึง (Stiffness)

วัสดุที่มีความแข็งตรึงสูง จะมีค่าโมดูลัสยืดหยุ่นสูง; therefore indic young moludus 0 - A.

Flexible Thermoplastic Denture Base Materials

Polyamides or Nylon (1938 - Du Pont).

Material Properties Question

Identifying materials based on their stress-strain curves:

a. Hard and Brittle

b. Hard and Tough

c. Soft and Tough

d. Hard and Strong

Ductility vs Brittleness

Ductility: A measure of the degree of plastic deformation that has been sustained at fracture.

Brittle: Material experiences very little or no plastic deformation upon fracture.

Stress-Strain Behavior

$\frac{F}{A}</p><p></p><p>\epsilon = \frac{l - l0}{l0}

Slop > Slop, therefore E > E$$

Toughness

What is it?

What does it indicate?

How can it be determined?

ความแกร่ง (Toughness)

ความสามารถของวัสดุที่จะดูดซับพลังงานโดยไม่เกิดการแตกหัก

(The ability of a material to absorb energy without fracturing).

Modulus of Toughness: Area under the stress-strain curve (Tension test).

Evaluating Toughness

From Stress-Strain Curve

Toughness can be evaluated from stress-strain curve by measuring area under the curve aka Modulus of toughness.

Methods to Determine Toughness

Area under the Stress