WYśSZA SZKOŁA INśYNIERII DENTYSTYCZNEJ BADANIE DRUTÓW ORTODONTYCZNYCH W ASPEKCIE WYTRZYMAŁOŚCI NA ROZCIĄGANIE Praca dyplomowa napisana w Katedrze Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Protetycznych pod kierunkiem naukowym prof. Janusza Juraszka Ustroń, 2010
WPROWADZENIE Poznanie właściwości fizycznych, chemicznych oraz biologicznych materiałów stosowanych w ortodoncji ma ogromny wpływ na ich zastosowanie do celów klinicznych. Bardzo istotne znaczenie w ortodoncji odgrywa wytrzymałość materiału dla róŝnego obciąŝenia. Istotnym źródłem sił ortodontycznych działających na zęby są łuki. Przy wyborze konkretnego łuku ortodontycznego, naleŝy kierować się takimi właściwościami jak spręŝystość, elastyczność, wytrzymałość, funkcjonalność.
CEL Celem pracy było wyznaczenie rzeczywistej wytrzymałości na rozciąganie wybranej grupy drutów ortodontycznych ze stali niklowo-tytanowej, dla trzech róŝnych średnic drutu. Druty ortodontyczne zostały poddane statycznej próbie rozciągania. Pozwala ona określić jakość materiału według kryterium napręŝeniowego w warunkach obciąŝeń statycznych. MoŜliwa jest obserwacja materiału w całym zakresie odkształceń.
STOPY METALI UśYWANE W ORTODONCJI Zasadniczym materiałem w technice aparatów stałych są stopy metalowe, uŝywane do produkcji pierścieni, zamków, a takŝe róŝnych typów drutów ortodontycznych. Istnieje wiele rodzajów i konfiguracji stopów. Aby poznać mechaniczne moŝliwości innowacyjnych stopów, a w konsekwencji dokonać właściwego wyboru produkowanych z nich drutów, niezbędne jest poznanie charakterystyki poszczególnych materiałów. Własności mechaniczne stopów, moŝemy sprecyzować cechami takimi jak: spręŝystość, plastyczność, odkształcenie, elastyczność, sztywność, wytrzymałość, zakres pracy.
STOPY METALI UśYWANE W ORTODONCJI Wymienione właściwości mechaniczne metali, przedstawia wykres zaleŝności odkształcenia od siły jaka ją wywołuje: Rys. Wykres przedstawiający zaleŝności napręŝenia-odkształcenia
STOPY METALI UśYWANE W ORTODONCJI Współcześnie stosowane druty ortodontyczne wykonane są ze: stali chromo-kobaltowej, stali nierdzewnej, stopu tytanowo-molibdenowego TMA (Beta titanium), stopów niklowo- tytanowych NiTi.
STOP NIKLOWO - TYTANOWY NiTi Ogólna nazwa tych stopów to Nitinol. Po raz pierwszy odkryto ich szczególne właściwości w 1961 roku w Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory. Stop niklowo-tytanowy, moŝe pojawiać się w dwóch rodzajach struktury krystalicznej: austenitu- w temperaturach wysokich oraz martenzytuw temperaturach niskich. Temperatura, przy której dochodzi do zamiany fazy martenzytu w austenit to kilkaset stopni. Temperatura przemiany termicznej martenzytu w austenit jest niska i wynosi 15 o -60 o C. Schłodzony łuk nitinolowy o pierwotnym kształcie po dowiązaniu do zamków ulega deformacji zgodnie z biegiem krzywizny łuku zębowego. Pod wpływem temperatury jamy ustnej, drut podgrzewa się do temperatury transformacji martenzytu w austenit i powraca do wyjściowego kształtu (pamięć kształtu), przy czym poprawia ustawienie zębów.
STOP NIKLOWO - TYTANOWY NiTi Jego podstawowe cechy to: duŝa odporność na trwałą deformację, pamięć kształtu, duŝa spręŝystość. Łuki NiTi wyróŝniają między innymi takie właściwości fizyczne jak: pseudoelastyczność, superelastyczność.
STOP NIKLOWO - TYTANOWY NiTi Pseudoelastyczność polega na przeprowadzeniu przemiany fazowej pod wpływem siły przyłoŝonej do łuku, bez zmiany temperatury. Natomiast określenie superelastyczność wiąŝe się z umiejętnością materiału do duŝych odwracalnych odkształceń. Drut superelastyczny jest bardziej skuteczny w dąŝeniu do powrotu do swojego pierwotnego kształtu. MoŜna dzięki temu pozostawić go w jamie ustnej, bez potrzeby dokonywania aktywacji, tak długo aŝ stanie się całkowicie bierny.
MATERIAŁY I METODA BADANIA Statyczna próba rozciągania Próba rozciągania jest zasadniczą, wytrzymałościową próbą statyczną, znajdująca największe zastosowanie w dziedzinie badań wytrzymałości materiałów. Do zalet próby rozciągania zaliczamy: jednorodny stan napręŝenia w rozciąganej próbce do pewnego, określonego etapu rozciągania, moŝliwość obserwacji procesu rozciągania od początku obciąŝenia próbki aŝ do jej zniszczenia, wyznaczanie szeregu wielkości charakteryzujących mechaniczne własności materiału, prostota przeprowadzenia próby.
MATERIAŁY I METODA BADANIA Zestawienie procentowe składu drutu ortodontycznego NiTi C 0,0095 % H 0,0010 % O 0,028 % N 0,0020% Ni 55,82 % Fe 0,0048 % Si < 0,01 % Co < 0,001 % Cu < 0,005 % Ti <balance
MATERIAŁY I METODA BADANIA Schemat pracy przedstawiony jest na rysunku: PLAN PRACY ROZEZNANIE LITERATURY PLAN EKSPRERYMETU 0,39 mm 0,29 mm D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 0,50 mm P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 Rys. Schemat pracy S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6
MATERIAŁY I METODA BADANIA Aparatura Próbę rozciągania wykonuje się na specjalnych maszynach zwanych zrywarkami. KaŜda z maszyn wytrzymałościowych ma dwa charakterystyczne zespoły: urządzenie do pomiaru sił oraz mechanizm napędowy.
PRZEBIEG BADANIA Do czynności przygotowawczych, naleŝą między innymi, pomiary kaŝdej próbki. Przed rozpoczęciem badania naleŝy takŝe sprawdzić urządzenie rejestrujące wykres rozciągania i dobrać odpowiednie przełoŝenie taśmy na której rejestruje się wykres. Dla metali próbę rozciągania wykonuje się w temperaturze 20 C. Statyczna próba rozciągania polega na rozciągnięciu próbki zamocowanej w uchwytach maszyny wytrzymałościowej z równoczesnym pomiarem siły i wydłuŝenia. Próbkę poddaje się rozciąganiu pod wpływem płynnie zwiększającego się obciąŝenia, bez gwałtownych zmian, które mogłyby być przyczyną błędów mierzonych wielkości.
PRZEBIEG BADANIA PoniŜsze fotografie przedstawiają próbkę umieszczoną w maszynie wytrzymałościowej przed zerwaniem i po zerwaniu. Miejsce zerwania Fot. 1. Próbka w maszynie wytrzymałościowej przed zerwaniem Fot. 2. Próbka w maszynie wytrzymałościowej po zerwaniu
PRZEBIEG BADANIA Krzywa rozciągania Podczas rozciągania próbek, przeprowadzone na zrywarce, notuje się automatycznie zaleŝność pomiędzy obciąŝeniami a towarzyszącymi im wydłuŝeniami. Wykres rozciągania, kreślony jest w układzie współrzędnych: obciąŝenie F oraz wydłuŝenie L. W trakcie wzrostu napręŝeń przyrost wydłuŝeń jest róŝny. Na początku pojawiające się odkształcenia są praktycznie czysto spręŝyste. Wykres przemierza zazwyczaj stromo, albowiem wielkości odkształceń spręŝystych są nieznaczne. Natomiast wielkość wydłuŝenia zaczyna się powiększać, w momencie pojawienia się większych odkształceń plastycznych.
PRZEBIEG BADANIA Rys. 1 Wykres rozciągania próbki ze stali miękkiej l[mm] Rys. 2 Wykres rozciągania próbki NiTi o średnicy 0,39mm.
OMÓWIENIE WYNIKÓW Dla ɸ 0,29mm Ϭ śr = 1411,21 MPa ± 56,20 MPa dla ɸ d=0,29 siła N Ϭ [MPa] Ϭ śr [MPa] N1 96 1454,13 N2 90 1363,24 N3 88 1332,95 1411,21 N4 98 1484,42 N5 93 1408,69 N6 94 1423,83 śr Odchylenie standardowe Ϭ = 56,20 MPa Tab.1. Zbiorcze zestawienie sił, które wystąpiły w próbkach o średnicy 0,29mm
OMÓWIENIE WYNIKÓW Wykres 1. Rozrzut wartości wytrzymałości na rozciąganie drutu NiTi o średnicy 0,29mm.
OMÓWIENIE WYNIKÓW Dla ɸ 0,39mm Ϭ śr = 1405,344 MPa ± 42,21 MPa dla ɸ d=0,39 siła N Ϭ [MPa] Ϭ śr [MPa] N1 174 1457,30 N2 172 1440,55 N3 170,2 1425,47 1405,344 N4 166 1390,30 N5 163,08 1365,84 N6 161,5 1352,61 śr Odchylenie standardowe Ϭ = 42,21 MPa Tab.2. Zbiorcze zestawienie sił, które wystąpiły w próbkach o średnicy 0,39mm
OMÓWIENIE WYNIKÓW Wykres 2. Rozrzut wartości wytrzymałości na rozciąganie drutu NiTi o średnicy 0,39mm
OMÓWIENIE WYNIKÓW Dla ɸ 0,50mm Ϭ śr = 1307,0064 MPa ± 66,73 MPa dla ɸ d=0,50 siła N Ϭ [MPa] Ϭ śr [MPa] N1 250 1273,89 N2 248 1263,69 N3 277 1411,46 1307,0064 N4 249 1268,79 N5 269 1370,70 N6 246 1253,50 śr Odchylenie standardowe Ϭ = 66,73 MPa Tab.3. Zbiorcze zestawienie sił, które wystąpiły w próbkach o średnicy 0,50mm
OMÓWIENIE WYNIKÓW Wykres 3. Rozrzut wartości wytrzymałości na rozciąganie drutu NiTi o średnicy 0,50mm
WNIOSKI Statyczna próba rozciągania umoŝliwia wyznaczenie rzeczywistej wartości wytrzymałości na rozciąganie oraz rozrzut tej wartości w poszczególnych grupach próbek. Producent deklaruje wytrzymałość w granicach od 1000 MPa do 1500 MPa. Uzyskane wyniki, spełniają deklarowaną przez producenta wytrzymałość.
WNIOSKI Największą wartość wytrzymałości na rozciąganie 1484,42 MPa osiąga drut o średnicy 0,29 mm, natomiast najmniejszą wartość wytrzymałości na rozciąganie 1253,50 MPa osiąga drut o średnicy 0,50 mm. Wykres 4. Porównanie wytrzymałości na rozciąganie RóŜnica wytrzymałości dla poszczególnych drutów jest istotna i wynosi 230 MPa.
WNIOSKI Największe wartości odchylenia standardowego występują dla drutu o 0,50 mm a najmniejsze dla drutu 0,39 mm. Wykres 5. Porównanie wartości odchylenia standardowego
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ