材料力学基础

第二节材料的性能材料力学基础 第四军医大学口腔医学院材料学教研室唐立辉 材料的机械性能主要是指材料在外力作用下表现出来的变形和破坏方面的特性 口腔材料应具有良好的机械性能 才能保证修复体在咀嚼应力的作用下保持正常的功能 一 力 物体受力后将使其运动状态或者它的形状和体积发生变化 力的单位 1kgf 9 8N1MPa 10 02Kg cm21MPa 0 1002Kg mm2力不仅有大小 而且有方向 作用方式不同 有各种不同的力 如重力 弹力 摩擦力 分子力 电磁力等 二 材料力学的任务 保证构件安全工作的基本要求 1 应有足够的强度 强度是指构件在载荷作用下抵抗破坏的能力 2 应有足够的刚度 刚度是指构件在外力作用下抵抗变形的能力 3 应有足够的稳定性 即维持其原有平衡形式的能力 以保证在规定的使用条件下不产生失稳现象 材料力学的主要任务是 研究构件在外力作用下的变形 受力和破坏的规律 为合理设计构件提供有关强度 刚度和稳定性分析的理论和计算方法 三 应力与应变 应力是描述物体内部各点个方向的力学状态 单位面积所受的内力即为应力 应力的种类1 轴向拉伸与压缩应力2 剪切应力3 弯曲应力 复合应力 固定桥模型的应力分布 杆件变形的基本形式 1 拉伸与压缩变形2 剪切变形3 扭转变形4 弯曲变形 应变 应变是描述材料在外力作用下形状变化的量 是指单位长度的变形 四 应力 应变曲线 研究材料机械性能常用的方法是测定应力 应变曲线 它是以应力为纵坐标 应变为横坐标绘制的曲线 对材料施加拉力 压力 剪切力或弯曲力均可得到应力 应变曲线图 低碳钢拉伸时的应力 应变曲线图 o 弹性变形阶段 从O点到E点特点 卸载后变形可以完全恢复 从O点到P点 任意一点的应力与应变之比为一常数 E 弹性模量 参数 比例极限 弹性极限 弹性模量 E tga Ey tga 一些牙科材料的弹性模量 塑性变形阶段 包括屈服与强化 当应力超过E点后 材料开始发生塑性变形 屈服强度 一般取下屈服极限作为材料的屈服强度 屈服变形阶段 屈服点 强化变形阶段 超过屈服阶段后 材料又恢复了对变形的抵抗能力 需增加外力才能使其继续变形 这种现象称为材料的强化 极限强度 材料破坏前所承受的最大应力 称为极限强度 断裂强度 材料断裂时的应力 牙体组织及一些口腔材料的部分极限强度 延伸率 试件拉断后 弹性变形消失而塑性变形保留 塑性是材料在静载荷作用下 产生塑性变形而不破坏的能力 延伸率是材料延展性的标志 表示材料塑性变形的能力 延性是表示材料能够塑性伸长的 拉丝的能力 展性为被加工塑成薄片的能力 一般低延伸率于5 为脆性材料 高于5 为塑性材料 或延展性材料 金合金为19 塑性材料和脆性材料力学性能比较 塑性材料 脆性材料 断裂前有很大塑性变形 断裂前变形很小 抗压能力与抗拉能力相近 抗压能力远大于抗拉能力 延伸率 5 延伸率 5 可承受冲击载荷 适合于锻压和冷加工 适合于做基础构件或外壳 材料的塑性和脆性会因为制造方法工艺条件的改变而改变 回弹性与韧性材料在弹性阶段 单位体积所吸收的能量叫回弹 或回弹模量 回弹性是材料抵抗永久变形的能力 韧性是材料抵抗开裂的能力 常用机械性能指标与试验 拉伸强度 抗拉 压缩强度剪切强度 剪切粘接强度弯曲强度 挠曲强度 注意 采用标准试件 标准试验方法 检定合格的仪器 万能材料试验机 液压式电子式 径向拉伸强度 DTS ADANo27 充填材料是将压缩性载荷于短圆柱试样的直径上 产生拉应力 DTS 2P DTD 直径 T 厚度 拉伸试验 微拉伸试验 牙本质粘接 压缩强度 冲击强度 冲击韧性 是指材料在冲击载荷下 抵抗冲击破坏的能力 主要考察材料的脆性和韧性 单位为KJ m2 常用简支梁法 一般材料的冲击强度低 脆性大 冲击强度高的材料为韧性材料 硬度 硬度 抵抗弹性 塑性形变或破坏的能力 或抵抗其中两种或三种同时发生上的能力 硬度是比较修复材料时的一项重要性能 广义讲是材料抵抗永久表面压入的能力 硬度表示了材料磨光的难易 以及在应用中抗划伤的能力 硬度的种类静负荷 布氏 洛氏 维氏 努普硬度 动负荷 肖氏特点 每一种方法都是外形小且对称的压头压入受试材料的表面 不同点在于压头的材质 集合形状 载荷 压头可为钢制 碳化钨或金刚石 形状可以为球形 锥形 金字塔形或针形 载荷一般为1 3000kg 布氏硬度 BHN 压头不同直径的钢球洛氏硬度 RHN 压头为锥顶角1200金刚石圆锥体或金刚石球压头 维氏硬度 VHN 对面夹角为1360的正四棱形金刚石压头 负荷小于1Kg的维氏硬度称显微硬度 努普硬度 KHN 压头为一对棱形夹角172030 另一对棱形夹角为1300的四棱锥金刚石 单位 未注明为Kg mm2 一般用MPa硬度值之间一般不能换算 布氏硬度 努普硬度 纳米硬度 纳米压入 纳米压入法 加荷为0 1 5000mg 压痕1微米 Nano indenterXP型纳米压痕仪 MTS 德国 可以测量纳米硬度 弹性模量 断裂韧性等 蠕变与疲劳 有时材料会在应力远远小于极限强度时发生破坏 如蠕变与疲劳 蠕变 是在恒应力作用下 塑性应变随时间不断增加的现象 该应力远远小于屈服应力 如银汞合金 蜡疲劳 是指材料在循环 交变 应力作用下发生的破坏 所受应力远远小于极限强度 甚至小于弹性极限 疲劳强度是指材料抵抗疲劳破坏的能力 它表示在交变应力作用下经过无数次循环而不发生破坏的能力 在实际工作中 常在工作应力低于屈服强度时发生断裂 疲劳断裂常产生于应力高度集中或强度低的部位 常见的冲击疲劳 冷热疲劳 接触疲劳 腐蚀疲劳等 应力 时间曲线 印模材料 银汞合金和牙本质均表现为应变与加荷时间有明显关系 硅橡胶的应表时间曲线图加荷时间越长 或载荷越大 其形变越大 银汞测试时速度越快 其形变越小 0 5mm min 挠曲强度与挠度 挠曲强度是指材料承受弯曲应力时的极限强度 挠曲强度是复合树脂与基托树脂材料的重要机械性能 挠度 是物体承受其比例极限内的应力所发生的弯曲形变 挠度与挠曲强度是衡量材料弯曲韧性的指标 挠度 曾经 成为所有标准中指定的评价项目 JTS GB增加了挠曲强度指标 现只有 挠曲强度 指标 义齿基托材料ISO标准挠度值 ISO20759 12008 8 1 ISO20759 12008 8 1 应力集中 裂缝扩展和温度应力 应力集中 是指在材料截面突变处 有应力骤然增大的现象 当应力集中达到一定程度时 材料就容易产生裂纹而破坏 裂缝扩展会引起脆性断裂 材料抵抗裂纹扩展的能力称为断裂韧度 温度应力 由温度变化所产生的应力 复合树脂充填体受热膨胀 与牙齿热膨胀不一 长期会导致疲劳损伤 甚至出现裂纹 断裂 三 化学性能 理想的材料其化学稳定性好 在口内不溶解 不腐蚀 不变色 腐蚀 材料由于周围环境的化学侵蚀而造成的破坏或变质称为腐蚀 变色 腐蚀发生的初期阶段 又称变色 发生高分子材料的变色主要是成分的不稳定性 高分子链的断裂或降解 老化 辅料变色 胺类还原剂 金属和合金的腐蚀主要是由于化学或电化学作用所引起 扩散与吸附 物体中原子和分子向周围移动的现象称为扩散 固体或液体表面的离子 原子或分子与接触相之间 借助于静电力或分子间的范德瓦尔斯力所产生的吸附现象 称为吸附 某些口腔材料在口腔里会吸附唾液或其他液体 同时有部分材料被溶解 过量的吸水和溶解都会降低性能 复合树脂与基托树脂的吸水值与溶解 复合树脂的吸水值与溶解值吸水值 50ug mm3 溶解值 5ug mm3基托树脂的吸水值与溶解值热凝树脂 吸水值 32ug mm3 溶解值 1 6ug mm3 自凝树脂 溶解值 6ug mm3 老化 老化是指材料在加工 储存和使用过程中 其物理化学和机械性能变坏的现象 尤其高分子的变软 变硬 变脆 变色等 使材料的物理机械性能明显下降 造成不能正常使用 甚至导致破坏 在口腔环境的老化更严重 如何减缓口腔材料的老化 延长修复体的寿命是材料研究的主要任务之一 化学性粘接 粘接是指两个固体借助于两者界面间的作用而产生结合的现象 化学性粘接指的是表面的原子或离子间的结合 一般为共价键或离子键形式 四 生物性能 良好的生物性能是保证材料临床应用安全有效的重要指标 生物性能包括生物安全性 生物相溶性和生物功能性 一 生物安全性 是指材料制品具有临床前安全使用的性质 用于口腔的材料应该是对人体无毒性 无刺激性 无致癌性和致畸变等 口腔材料需进行分类检测后才能进行临床应用 ISO7405 1997口腔材料应按与组织接触的性质和时间分类 按性质可分为表面接触器械 外部接触器械和植入器械 按时间可分为 短期接触 30d 生物学评价试验分组 第一组 体外细胞毒性试验 第二组 检测对机体的全身毒性作用和植入区的组织反应 1 全身毒性试验 经口 2 全身毒性试验 经静脉 3 吸入毒性试验 4遗传毒性试验 5 致敏试验 6 皮肤刺激与皮内反应试验 7 植入后局部反应试验 第三组 临床应用前试验检测材料对拟用部位组织的毒性作用 1 牙髓牙本质刺激试