МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИКО - СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ПРОПЕДЕВТИЧЕСКОЙ СТОМАТОЛОГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Заведующий кафедрой Заслуженный врач РФ, доктор медицинских наук, профессор Э. А. Базикян МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТОМАТОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ассистент кафедры, к. м. н. А. Г. Чобанян

Нагрузка на восстановленный зуб передается через пломбу или искусственную коронку, что приводит к появлению в восстановительном материале напряжений и деформаций.

Если величины этих напряжений и деформаций превышают предельные значения, которые может выдержать данный материал, то в результате может произойти его разрушение.

Не обладая достаточными знаниями о механических свойствах стоматологических материалов невозможно стать хорошим врачом - клиницистом Не обладая достаточными знаниями о механических свойствах стоматологических материалов невозможно стать хорошим врачом - клиницистом

Разные материалы реагируют по - разному на приложение одинаковой нагрузки. При попытке с одинаковым усилием растянуть стальную проволоку или резиновую ленту, можно заметить, что реакция материалов на натяжение будет разной. Стальная проволока не удлинится, в то время как длина резиновой ленты может удвоиться.

Для оценки поведения материалов, используемых для разных целей необходим объективный стандарт, который позволит сравнивать разные материалы, независимо от их размера и формы. Такие стандарты позволяют сравнивать свойства разных материалов, и предсказывать поведение изготовленных из них объектов. Основными объективными стандартами являются : 1. напряжение, 2. деформация.

Напряжение и деформация не являются свойствами материала

Напряжение это сила, действующая на единицу площади поперечного сечения материала. Напряжение рассчитывается формулой : о = F/A. ( А площадь поперечного сечения предмета ). Единица измерения напряжения ньютоны на кв. метр = Н / м 2 = Па.

Деформация это изменение размера единицы длины, вызванное приложением силы.

При воздействии на предмет силы F, длина предмета изменится от исходной длины до длины растянутого предмета. В результате этого возникает относительная деформация которая рассчитывается формулой : е = (L1 - L0)/L0

Для любого материала можно измерить растяжение под действием сил разной величины, и построить кривую зависимости относительной деформации от напряжения, что позволяет предсказать величину растяжения в зависимости от приложенной силы ( нагрузки ) для предметов любой длины и с любой площадью поперечного сечения. Также можно сравнить реакцию разных материалов на приложение одинаковых по величине растягивающих нагрузок.

Напряжение и деформация позволяют определить ряд механических свойств, которые без этих характеристических параметров невозможно было бы оценить. При воздействии различных сил с различными векторами действия возникают сложные напряжения в предмете. Существует три принципиально разных типа напряжений : 1. напряжения растяжения, 2. сжатия, 3. сдвига.

Три основные вида напряжений : растяжения сжатия сдвига

Предел упругости и пластическая деформация

Механическое поведение материалов обусловлено соотношением между напряжением и деформацией

У данного прямолинейная зависимость между напряжением и деформацией не сохраняется на протяжении всей кривой. Участок кривой, где зависимость между напряжением и деформацией является линейной, известна под названием области линейной упругости. В этой области наблюдается упругая деформация. При снятии напряжения в этой области, материал возвращается к своей первоначальной форме. Место, где кривая начала отклоняться от линейной, является точкой, в которой материал перешел через свой предел упругости, и при снятии напряжения останется деформированным, то есть не сохранит свою исходную форму. У данного прямолинейная зависимость между напряжением и деформацией не сохраняется на протяжении всей кривой. Участок кривой, где зависимость между напряжением и деформацией является линейной, известна под названием области линейной упругости. В этой области наблюдается упругая деформация. При снятии напряжения в этой области, материал возвращается к своей первоначальной форме. Место, где кривая начала отклоняться от линейной, является точкой, в которой материал перешел через свой предел упругости, и при снятии напряжения останется деформированным, то есть не сохранит свою исходную форму. Кривая напряжении и деформации для ковкого металла, подобного сплава меди с цинка Это явление называется пластической деформацией, а область на графике областью пластической деформации.

Жесткость материала

Мерой жесткости материала является модуль Юнга. Модуль упругости ( модуль Юнга ) это постоянная величина, показывающая соотношение между напряжением и деформацией в линейной упругой области. Данный модуль получают делением напряжения на деформацию, а относительная деформация является величиной безразмерной. Модуль Юнга имеет ту же размерность, что и напряжение Н / м 2. Его значения бывают очень высокими поэтому пользуются гигапаскалями ( ГПа ) = 10 Н / м ².

Прочность при разрушении Прочности при разрушении материала это напряжение, требуемое для разрушения материала. Предел текучести и условный предел текучести Напряжение, при котором начинается пластическая деформация, называется пределом текучести.

Точку пластической деформации трудно найти, поскольку в данном случае наблюдается скорее постепенный переход, чем быстрое изменение наклона кривой напряжение деформация. В качестве меры наступления состояния пластической деформации используют понятие условный предел текучести. Условным пределом текучести называется напряжение, которому соответствует остаточная деформация, равная 0,2%.

Если в какой либо точке металлического мостовидного зубного протеза, напряжение растяжения превысит предел текучести, то произойдет необратимая деформация зубного протеза

Предел прочности на растяжение – это максимальное напряжение, которое способен выдержать образец. Оно часто отличается от прочности при разрушении, которая, как уже было отмечено выше, соответствует напряжению в момент разрушения материала. Пластичность материала – величина пластической деформации предмета при его разрушении. Ее определяют путем проведения от точки разрушения линии, параллельной прямолинейному участку диаграммы растяжение и деформация. Эту меру часто используют для обозначения процентного удлинения материала.

Упругость и жесткость материала Если согнуть упругую проволоку, а затем отпустить, то она вернется в исходное состояние, при условии, что приложенное напряжение не превышает предел упругости. Возврат проволоки в исходное состояние происходит за счет поглощенной энергии, которая высвобождается при отпускании проволоки. Количество энергии, которое может быть поглощено и затем высвобождено, является показателем способности материала к проявлению пружинистых свойств.

Упругость это количество энергии, которое может поглотить материал без перехода в состояние постоянной ( необратимой ) деформации. Эта энергия может быть определена по кривой напряжение деформация, как область, находящаяся под линией пропорционального ( линейного ) изменения упругости, и рассчитана по формуле : R = Р ²/2 Е, где : R модуль упругости второго рода, Р предел пропорциональности ( иначе называемый пределом текучести ), Е – модуль Юнга.

Единицами измерения этого показателя являются единицы энергии, деленные на единицы объема, Дж / м ³ (1 Джоуль = 1 Н / м ).

Жесткостью материала называется общее количество энергии, которое может быть поглощено материалом до того, как он разрушится. Она также выражается в Дж / м ³.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

Испытание на растяжение Испытание на растяжение это относительно простой для понимания и объяснения метод испытания материала, и, возможно, его используют чаще остальных. При проведении этого испытания, образец материала растягивают вдоль продольной оси с помощью растягивающего приспособления испытательной машины.

Испытание проводят с постоянной скоростью, ( т. е. с постоянной скоростью растяжения образца ), а нагрузку измеряют с помощью датчика нагрузки. Одновременно с этим измеряют удлинение, соответствующее прилагаемой нагрузке. Удлинение можно измерить несколькими способами, в том числе, по пути движения подвижной траверсы, или путем прикрепления к материалу тензодатчика при очень низких величинах деформации. Испытание проводят с постоянной скоростью, ( т. е. с постоянной скоростью растяжения образца ), а нагрузку измеряют с помощью датчика нагрузки. Одновременно с этим измеряют удлинение, соответствующее прилагаемой нагрузке. Удлинение можно измерить несколькими способами, в том числе, по пути движения подвижной траверсы, или путем прикрепления к материалу тензодатчика при очень низких величинах деформации.

Напряжение и соответствующая ему деформация могут быть рассчитаны по приведенным выше формулам. По этим данным можно построить кривую напряжение деформация, а по этой кривой можно определить ряд свойств.

Примеры кривых напряжения деформации для некоторых материалов

Примером пластичного или ковкого материала является мягкая сталь, на графике напряжение - деформация для которой показаны : область линейной упругости, четко определяемая точка предела текучести и высокая степень пластичности материала. И, напротив, на графике такого твердого материала, как гипс, видна только линейная область упругости, а затем происходит разрушение без каких либо признаков пластической деформации. Примером пластичного или ковкого материала является мягкая сталь, на графике напряжение - деформация для которой показаны : область линейной упругости, четко определяемая точка предела текучести и высокая степень пластичности материала. И, напротив, на графике такого твердого материала, как гипс, видна только линейная область упругости, а затем происходит разрушение без каких либо признаков пластической деформации.

Многие пластмассы являются жесткими материалами, однако они обладают меньшей хрупкостью, чем гипс. Поведение эластомера, примером которого является силиконовый оттискной материал, очень не обычно по сравнению с другими материалами. Оказывается на графике напряжение - деформация у него отсутствует область линейной упругости, а область упругого восстановления у эластомера очень обширна. Относительное удлинение у него значительно выше, чем, например, у стали или гипса.

Эластомер эластичен по своей природе, и, подобно резине, он восстанавливает свои исходные размеры сразу же после снятия напряжения. Кроме того, резина обладает крайне низкой прочностью при растяжении.

При упругой деформации наблюдается небольшое увеличение объема материала за счет того, что расстояние между атомами, из которых состоит твердое тело, удлиняется при растяжении. Однако при пластической деформации таких изменений объема не наблюдается. При такой деформации увеличение длины материала может привести к уменьшению площади его поперечного сечения. Это в свою очередь приведет к возникновению локализовнной области материала. Эта область уменьшения поперечного сечения образца называется шейкой. Часто такое явление наблюдается при растяжении материалов с повышенной вязкостью ( пластичных материалов ). Образование шейки при испытании на растяжение

Результаты испытаний на растяжение могут быть очень полезными при создании новых конструкций, поскольку для того, чтобы предсказать поведение конструкции, находящейся под нагрузкой, необходимо знание параметров упругой деформации материала. Результаты испытаний на растяжение могут быть очень полезными при создании новых конструкций, поскольку для того, чтобы предсказать поведение конструкции, находящейся под нагрузкой, необходимо знание параметров упругой деформации материала.

Максимальное напряжение, которое может безопасно выдержать материал, определяется пределом текучести. Следовательно, от предела текучести зависит максимальная нагрузка, которой этот материал способен противостоять, хотя благоразумнее было бы включить в расчеты некоторый коэффициент запаса прочности. Жесткость материала можно рассчитать по модулю упругости. Например, сочетание этих двух свойств ( предела текучести и жесткости ) позволит легко определить упругость или пружинистость металлической проволоки. Максимальное напряжение, которое может безопасно выдержать материал, определяется пределом текучести. Следовательно, от предела текучести зависит максимальная нагрузка, которой этот материал способен противостоять, хотя благоразумнее было бы включить в расчеты некоторый коэффициент запаса прочности. Жесткость материала можно рассчитать по модулю упругости. Например, сочетание этих двух свойств ( предела текучести и жесткости ) позволит легко определить упругость или пружинистость металлической проволоки.

Если в технологический процесс изготовления продукции включены такие операции, как прокатка, протяжка проволоки или прессование, необходимо знать величину пластической деформации, которую материал сможет выдержать без разрушения. Если материал обладает высокой пластичностью, то ему можно придавать нужную форму, однако если пластичность материала невысока, то создание формы путем воздействия нагрузки будет невозможным. Если в технологический процесс изготовления продукции включены такие операции, как прокатка, протяжка проволоки или прессование, необходимо знать величину пластической деформации, которую материал сможет выдержать без разрушения. Если материал обладает высокой пластичностью, то ему можно придавать нужную форму, однако если пластичность материала невысока, то создание формы путем воздействия нагрузки будет невозможным.

Испытание на сжатие Испытания на растяжение проводить сложно, особенно, если материал хрупкий в таких случаях наблюдается большой разброс результатов.

Испытания на сжатие. Схематическое представление. Поскольку образец удерживается за счет трения в точках контакта с опорными пластинами испытательного прибора, здесь наблюдается увеличение площади поперечного сечения в середине образца, и одновременно с этим материал приобретает форму бочонка. Этот эффект « приобретения формы бочонка » приводит к возникновению очень сложной модели распределения напряжений в материале

Анализировать такую модель очень сложно. Это затрудняет интерпретацию результатов испытаний на сжатие. Компромиссным испытанием является измерение так называемой диаметральной прочности, в который изготовленный из испытываемого материала диск подвергают воздействию сжимающей нагрузки. Анализировать такую модель очень сложно. Это затрудняет интерпретацию результатов испытаний на сжатие. Компромиссным испытанием является измерение так называемой диаметральной прочности, в который изготовленный из испытываемого материала диск подвергают воздействию сжимающей нагрузки. В результате приложения этой нагрузки к диску, в направлении, перпендикулярном направлению приложения сжимающей нагрузки, возникают напряжения растяжения.

Растягивающее напряжение, а, рассчитывают по формуле : а = 2P/JT.DT, где Р нагрузка, D диаметр диска, Т толщина диска. Обычно этот метод используют для испытаний хрупких стоматологических материалов, поскольку он прост и позволяет получать более воспроизводимые результаты, чем в случае испытаний на растяжение.

Испытание твердости Испытание твердости это измерение сопротивления поверхности материала воздействию инструмента, внедряемого или вдавливаемого в поверхность ( индентеров ), или режущего инструмента. Испытание твердости проводят для определения сопротивления материала царапанью или стиранию. Кроме того, существует приближенна я зависимость между твердостью материала и пределом прочности на растяжение.

Для испытаний используют индентер в форме шарика ( при испыт ании твердости по Бринелю ), пирамидки ( при и спытании твердости по Виккерсу или по Кнуппу ) или конуса ( при испытании твердости по Роквеллу ). Разумеется, твердость самого индентера должна быть выше твердости испытываемого материала. Образец вдавливают в поверхность материала в течение определенного периода времени, и на поверхности материала остается отпечаток шарика, пирамидки или конуса. Для испытаний используют индентер в форме шарика ( при испыт ании твердости по Бринелю ), пирамидки ( при и спытании твердости по Виккерсу или по Кнуппу ) или конуса ( при испытании твердости по Роквеллу ). Разумеется, твердость самого индентера должна быть выше твердости испытываемого материала. Образец вдавливают в поверхность материала в течение определенного периода времени, и на поверхности материала остается отпечаток шарика, пирамидки или конуса. Бринелль Викерс Кнуп

Размер полученного отпечатка будет зависеть от твердости испытуемого материала. Размеры отпечатка можно измерить и подсчитать из них эмпирическое значение числа твердости. Выбор метода испытания твердости до некоторой степени зависит от природы материала, который будет подвергнут испытанию.

Испытание на ударную прочность Испытание на ударную прочность это оценка сопротивления материала мгновенному приложению нагрузки. Стандартный образец в виде балки с насечками подвергают воздействию импульсной нагрузки, создаваемой маятниковым копром.

Маятниковый копер отпускают с определенной высоты, он ударяет и разрушает образец, который установлен на параллельных опорах. Часть энергии маятника используется для разбивания образца. Если будут известны начальная высота, на которой находился маятник, и высота, на которую он поднялся после разрушения образца, то нетрудно будет рассчитать разницу энергий. Эта разница является мерой количества энергии, которая была поглощена образцом, что и вызвало его разрушение. Маятниковый копер отпускают с определенной высоты, он ударяет и разрушает образец, который установлен на параллельных опорах. Часть энергии маятника используется для разбивания образца. Если будут известны начальная высота, на которой находился маятник, и высота, на которую он поднялся после разрушения образца, то нетрудно будет рассчитать разницу энергий. Эта разница является мерой количества энергии, которая была поглощена образцом, что и вызвало его разрушение.

Не смотря на то, что результаты этого испытания являются эмпирическими, его можно применять для оценки ударной прочности ряда материалов. Присутствие насечек на образце делает условия проведения испытания очень жесткими, а также является показателем чувствительности материала к присутствию надрезов на его поверхности. Испытание на усталостную прочность Не смотря на то, что результаты этого испытания являются эмпирическими, его можно применять для оценки ударной прочности ряда материалов. Присутствие насечек на образце делает условия проведения испытания очень жесткими, а также является показателем чувствительности материала к присутствию надрезов на его поверхности. Испытание на усталостную прочность

Во многих практических ситуациях материалы подвергаются воздействию переменных нагрузок чаще, чем статических, о которых говорилось выше. Постепенное накопление незначительных количеств пластической деформации, возникающих в результате воздействия цикла переменных напряжений, известно под названием усталости материала. Во многих практических ситуациях материалы подвергаются воздействию переменных нагрузок чаще, чем статических, о которых говорилось выше. Постепенное накопление незначительных количеств пластической деформации, возникающих в результате воздействия цикла переменных напряжений, известно под названием усталости материала.

Усталость может стать причиной разрушения материала при напряжениях, величина которых значительно ниже предела текучести. Для проведения испытания на усталостную прочность образцы материала подвергают воздействию циклических нагрузок в некотором их диапазоне. В каждом случае подсчитывают число циклов, требуемых для разрушения образцов. Усталость может стать причиной разрушения материала при напряжениях, величина которых значительно ниже предела текучести. Для проведения испытания на усталостную прочность образцы материала подвергают воздействию циклических нагрузок в некотором их диапазоне. В каждом случае подсчитывают число циклов, требуемых для разрушения образцов.

Величину напряжения выражают графически в виде логарифмической зависимости от соответствующего числа циклов напряжений, которое требуется для разрушения образца. Кривая зависимости напряжения от числа циклов ( кривая Н Ч ).

Существуют две формы поведения материалов. Для некоторых материалов по мере увеличения числа циклов нагрузки происходит снижение напряжений, которые способен выдержать материал. Однако для других материалов существует уровень напряжений, называемый пределом выносливости, ниже которого материал можно подвергать неопределенному числу циклов нагрузки, не вызывая его разрушения.

Усталостная прочность в значительной степени определяется характеристиками поверхности материала. Улучшение качества обработки поверхности или создание на поверхности напряжений сжатия механическими, термическими или химическими методами, приводит к повышению усталостной кривой Н Ч. Кроме того, на характер кривой Н Ч выраженное влияние оказывает среда, в которой проходит эксперимент. Например, в коррозионных средах усталостная прочность материала снижается. Усталостная прочность в значительной степени определяется характеристиками поверхности материала. Улучшение качества обработки поверхности или создание на поверхности напряжений сжатия механическими, термическими или химическими методами, приводит к повышению усталостной кривой Н Ч. Кроме того, на характер кривой Н Ч выраженное влияние оказывает среда, в которой проходит эксперимент. Например, в коррозионных средах усталостная прочность материала снижается.

Клиническое значение В некоторых случаях материал может быть достаточно прочным, чтобы выдерживать нагрузки в начале его использования в полости рта, но это не означает, что он сможет противостоять таким же нагрузкам в отдаленные сроки клинической службы.

Испытание на крип ( ползучесть ) Если материал долгое время находится под нагрузкой, то под воздействием постоянного напряжения он может непрерывно деформироваться, даже несмотря на то, что величины действующих на него напряжений значительно ниже предела упругости.

Эта деформация материала, зависящая от времени его нахождения под нагрузкой, называется крипом, который, в конечном итоге, ведет к разрушению материала. В частности, понимание этого явления важно, если материал используют при температурах, превышающих половину значения температуры плавления или температуры размягчения, что, например, характерно для некоторых амальгамных фаз или многих пластических материалов. При температурах на 40 50% меньше абсолютной точки плавления материала, крип ничтожно мал.

На типичной кривой крипа можно выделить 4 стадии деформации : начальное удлинение, возникшее в результате приложения нагрузки ; переходный или первичный крип, который стремится к непрерывному увеличению ; устойчивое состояние ( вторичный крип ) ; третичный крип. На типичной кривой крипа можно выделить 4 стадии деформации : начальное удлинение, возникшее в результате приложения нагрузки ; переходный или первичный крип, который стремится к непрерывному увеличению ; устойчивое состояние ( вторичный крип ) ; третичный крип.

Механические свойства материалов можно определять в широких пределах. Это позволяет сравнивать между собой разные стоматологические материалы, хотя значение результатов таких испытаний для клиники остается предметом многочисленных дебатов. Механические свойства материалов можно определять в широких пределах. Это позволяет сравнивать между собой разные стоматологические материалы, хотя значение результатов таких испытаний для клиники остается предметом многочисленных дебатов.

Благодарю Вас за внимание