Механические свойства стоматологических материалов

К механическим свойствам относятся характер напряжения и натяжения материала под воздействием внешних сил.

Механические свойства материала определяют его реакцию на нагрузку. В большинстве клинических ситуаций материалы подвергаются сложной трехмерной нагрузке, но для упрощения описания внешней нагрузки используются понятия, применимые к однонаправленной нагрузке, такие как сжатие, растяжение и сдвиг.

Их сочетание может вызвать торсионную деформацию (скручивание) или флексию (поперечное сгибание).

При тестировании материала часто бывает невозможно подвергать его растяжению, не вызывая одновременного образования других, более сложных нагрузок. Для того чтобы минимизировать проблемы при тестировании цилиндра на растяжение, можно сжимать его стороны и вызвать нагрузки, эквивалентные натяжению. Этот вариант натяжения называется диаметральным натяжением (диаметральным сжатием).
При воздействии нагрузки на материал его внутренние связи подвергаются сжатию, растяжению или сдвигу, в результате чего структура материала деформируется. Показатели нагрузки и деформации полезны только тогда, когда известны абсолютный размер и геометрия структуры материала. Поэтому нагрузку и деформацию обычно определяют (в одном измерении) как напряжение и натяжение. Напряжение - это нагрузка на единицу площади поперечного сечения материала, выражается в единицах нагрузки на единицу площади (Н/мм = МПа). Натяжение - это деформация (энергия) на разрыв единицы поверхности, она выражается в единицах Н/м2 или, более правильным будет определение Дж/м2.

При воздействии нагрузки, внутренние связи материала легче поддаются растяжению, чем сжатию. Поэтому материалы лучше противостоят сжатию и оказываются более прочными при сжатии, чем при растяжении. При различных направлениях нагрузки материалы имеют разные свойства. Поэтому, прежде чем оценивать определенное механическое свойство материала, нужно определить направление нагрузки в данной конкретной клинической ситуации.

При продолжении воздействия нагрузки, структура материала подвергается деформации, которая сначала является полностью обратимой (эластическое натяжение). Однако повышение нагрузки приводит, в конечном счете, к необратимой деформации (пластическое натяжение). Точка, в которой начинается эта деформация, называется лимитом эластичности (лимитом пропорциональности, пределом прочности).
 

Продолжение воздействия пластического натяжения приводит, в конечном результате, к перелому или разрыву материала. Наибольшее напряжение перед тем, как наступит перелом, называется пределом прочности на растяжение.
 

Общее пластическое растяжение в точке перелома называется элонгацией. Она также может выражаться в виде процентов элонгации. Материалы, которые подвергаются большой пластической деформации, прежде чем произойдет их перелом, называются ковкими или податливыми, а те, которые выдерживают очень незначительную пластическую деформацию - ломкими.
 

Жесткость материала обозначается буквой «Е». Она отражает степень натяжения, возникшую в ответ на определенное напряжение. Керамика имеет намного больший модуль эластичности (большую жесткость), чем полимерные материалы. Поскольку кривая линия определяется как напряжение, разделенное на натяжение, то модуль эластичности выражается в таких же единицах, как напряжение (например, МПа).
Двумя наиболее важными механическими свойствами материалов являются модуль эластичности и лимит эластичности. Восстановительный материал должен быть очень жестким, таким, чтобы при нагрузке его эластическая деформация была крайне низкой. Исключением являются композитные реставрации 5-го класса, которые для лучшего прилегания к изгибу зуба должны быть менее жесткими.

По возможности, стоматологические компоненты для лечения зубов нужно подбирать так, чтобы уровень напряжения во время его применения не превышал лимит эластичности. Если напряжение незначительно превышает лимит эластичности, то возникающая при этом пластическая деформация материала тоже будет небольшой. Но если напряжение будет существенно превышать лимит эластичности, то возникшая деформация будет пластической и в определенной точке приведет к перелому или разрыву материала.
Часто лимит эластичности бывает удобно определять, сравнивая начало пластической деформации разных материалов с помощью образования зазубрин, что называется тестами на твердость.
 

Энергия, которую вещество может поглотить до того, как наступит его пластическая деформация, называется упругостью, которая обозначается площадью под кривой напряжение-натяжение до точки лимита эластичности. Общая поглощенная до точки разрыва энергия называется жесткостью и обозначается всей площадью под кривой напряжение-натяжение.

Механические свойства материала зависят как от температуры, так и от продолжительности воздействия нагрузки. Эти условия нужно тщательно обозначать для любого рассматриваемого механического свойства. В целом при повышении температуры механические свойства материала ухудшаются. Кривая напряжение-натяжение смещается при этом вправо и вниз. При охлаждении материалов, все происходит в обратном направлении. Механические свойства материалов ухудшаются также при увеличении скорости воздействия нагрузки. Это обозначается термином «чувствительность к скорости натяжения» и имеет важное клиническое значение.
 

Чтобы вызвать кратковременное увеличение жесткости материала и/или сделать его более эластичным, нужно оказать на него быстрое воздействие. Для воспроизведения выступающих участков с помощью эластичного оттискного материала в полости рта его нужно удалять быстро, чтобы он был более эластичным и более точно отражал абсолютные размеры внутриротовых структур. Это прекрасный пример практического применения науки о материалах.
 

Материал может также подвергаться другим, зависимым от времени изменениям. Деформация материала, происходящая со временем в ответ на постоянное давление, называется текучестью. Текучести более подвержены относительно слабые материалы или материалы с низкой температурой плавления. Стоматологический воск деформируется (подвергается текучести) под воздействием своего собственного веса за короткое время. Традиционные амальгамовые реставрации подвержены текучести после установки в полости рта. Деформация материала, происходящая со временем, в ответ на постоянное растяжение, называется релаксацией напряжения.
 

При воздействии нагрузки во всех клинических ситуациях натяжение ниже лимита эластичности является эластическим натяжением. Степень пластического натяжения при этом настолько незначительна, что ее можно не учитывать. Однако при повторяющейся нагрузке это очень небольшое пластическое натяжение начинает увеличиваться. После миллионов циклов воздействия общее, накопленное при слабой нагрузке, пластическое натяжение может стать достаточным, чтобы вызвать перелом материала. Процесс многократного воздействия слабой нагрузки вызывает усталость материала.

Стандартное ограничение для стоматологических восстановительных материалов составляет примерно 10 миллионов циклов (или около 10 лет пребывания в ротовой полости). Восстановительные материалы на рабочей поверхности, как правило, подвергаются циклической механической нагрузке в среднем 1 миллион раз в год. Кривая, отражающая зависимость уровня циклической нагрузки, от количества циклов, до наступления усталости материала, называется кривой усталости. Эти кривые определены только для некоторых стоматологических материалов, так как их изучение требует большого количества времени.
 

Жидкости, обладающие ньютоновскими свойствами, образуют прямую линию. Отклонение этой линии вниз обозначает псевдопластические свойства, а ее изгиб вверх — способность материала к расширению. В некоторых случаях начальная точка кривой смещается вверх по оси напряжения сдвига. Это характерно для материалов, которые не подвергаются текучести до достижения критического напряжения сдвига. Такое свойство, как и псевдопластическое, является типичным для стоматологических материалов.

При повышении температуры выше точки плавления вязкость уменьшается. Например, гель 37% фосфорной кислоты, используемый для протравливания зубов, имеет псевдопластические свойства. Он не обладает текучестью, пока напряжение сдвига не достигнет критического значения, вслед за этим прирост скорости сдвига начинает опережать линейное увеличение напряжения сдвига, приводя к прогрессирующему нарастанию текучести.