CC BY
104
Наука к Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сетевое научное издание
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 12. С. 128-136.
Б01: 10.7463/0815.9328000
Представлена в редакцию: Исправлена:
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 519.3:62:27
Исследование прочности армированных композиционных образцов при трехточечном изгибе
Гаврюшина Н. Т., Букеткин Б. В.
##.##.2014 ##.##.2014
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
В работе представлены результаты анализа прочностных характеристик сеточных металлоком-позитных материалов в зависимости от расположения армирующей сетки по отношению к направлению нагрузки. Сеточный металлокомпозит применяется в армирующей стоматологии при реставрации и протезировании зубов. Результаты исследования прочностных свойств сеточных металлокомпозитных образцов на трехточечный статический изгиб показывают, что прочность образцов зависит от положения армирующей металлической позолоченной переплетенной сетки (МППС) по отношению к направлению приложения нагрузки. В случае установки сетки на расстоянии 1 мм от нижней поверхности образца в зоне растяжения, нагрузка разрушения практически не изменяется по сравнению с контрольными образцами. При установке сетки на расстоянии 1 мм от верхней поверхности образца в зоне сжатия, предельная нагрузка увеличивается примерно на 75% по сравнению с неармированными образцами, изготовленными из микрогибридного композитного материала. Возникновение и направление роста трещин, приводящих к разрушению целостности образцов, существенно зависит от положения металлической сетки. Доказано, что сетка препятствует возникновению и росту трещин.
Ключевые слова: армирующая стоматология, предел прочности, статический изгиб, композитный материал, сеточный металлокомпозит, направление приложения нагрузки, зона растяжения, зона сжатия, высокопрочный сеточно-металлокомпозитный слой, армированная зона
Введение
В настоящее время реставрация (реконструкция) поврежденных зубов проводится различными способами, с применением пломб, вставок, коронок, накладок, виниров, штифтовых конструкций. При этом используется широкий спектр искусственных материалов, включая композитные. В работах [1,7,9] приводится анализ прочностных свойств сеточных металлокомпозитных материалов с целью повышения эффективности ортопедического лечения. Анализ и обобщение многочисленных клинических результатов позволили выделить основные причины возникновения осложнений после лечения и протезирования зубов с применением искусственных материалов. Перспективы, связанные с
повышением качества стоматологического лечения и протезирования открывает способ реставрации (реконструкции) поврежденных зубов с использованием внутризубного армирования. Основная идея армирующей стоматологии, заключается том, что в процессе реставрации (реконструкции) с применением композитного материала, используется армирующий элемент, представляющий металлическую позолоченную переплетенную сетку. В работе исследуется зависимость прочностных свойств композитного материала в зависимости от расположения армирующего элемента. Важно подчеркнуть, что возможные врачебные ошибки при выборе параметров и места установки армирующего устройства, могут свести на нет положительную роль армирования.
Материалы и методы исследования
В настоящей работе изучены прочностные свойства образцов, изготовленных из композитного материала микрогибридный композит - металлическая позолоченная переплетенная сетка (МППС), в зависимости от положения сетки и направления прикладываемой нагрузки. В качестве микрогибридного композитного материала использовали FiltekТМ 2-250 и металлическую переплетенную сетку, изготовленную из корро-зионностойкой стали с золотым покрытием среднего размера.
Выбранный вид испытания - испытания на трехточечный изгиб является наиболее информативным при оценке прочности стоматологических материалов, так как во время функции жевания на зубы действуют вертикальные и горизонтальные силы. При акте жевания боковая группа зубов в основном работает на сжатие, а передняя группа зубов -на изгиб. Лабораторные исследования проводились в лаборатории кафедры "Прикладная механика" Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана.
Целью проведенных испытаний являлось получение статических диаграмм деформирования при трехточечном изгибе (скорость нагружения 1,0мм/мин, температура 20°С) на образцах, изготовленных из микрогибридного композитного материала №ек1М 2-250 и композитного материала микрогибридный композит БШек™ 2-250 - металлическая позолоченная переплетенная сетка.
Испытание на статический изгиб - вид деформации, который характеризуется искривлением оси образца или срединной поверхности деформируемого образца под действием внешних сил. Образец, свободно лежащий на двух опорах, нагружали вертикально приложенной сосредоточенной нагрузкой в средине пролета между опорами до разрушения.
Испытания проводились на прямоугольных образцах, предназначенных для испытаний на изгиб, длиной 45 мм, высотой и шириной 5 мм. Геометрические размеры композитных образцов замерялись с точностью ± 0,01 мм (рис. 1).
Рис. 1 . Внешний вид образцов для испытания на изгиб.
Устройство для испытаний на трехточечный статический изгиб и расчетная схема показаны на рисунках 2 и 3.
Рис. 2 Устройство для испытаний на трехточечный статический изгиб.
Рис.3. Схема испытаний на изгиб.
При деформации изгиба нижние слои образца до нейтрального слоя испытывают растяжение, а верхние - сжатие (рис.4).
Рис. 4. Деформация при изгибе.
В литературе нет сведений о влиянии металлической позолоченной переплетенной сетки (МППС) на прочностные свойства композитных материалов. В работе поставлена задача исследовать влияние металлической позолоченной переплетенной сетки (МППС) на прочностные свойства образцов из гибридного композитного материала в зависимости от расположения сетки и направления прикладываемой нагрузки. Сетку в композиционных образцах располагали на нижнем слое, посредине образца, на верхнем слое и одновременно на нижнем и верхнем слоях.
лена
для образцов из композитного мате- в) нанесение очередной порции ком-риала позитного материала
в виде валика над замурованной металлической сеткой
б) этап фиксации металлической сетки в композитном материале на
уровне 1 мм со дна полипропиленовой г) этап равномерного распределения
формы композитного валика
Рис.5. Подготовка образцов для испытания на изгиб.
Результаты исследования
Известно [2,3,5], что прочность композитного материала на изгиб меньше, чем на сжатие. Учитывая эти особенности можно предположить, что для увеличения прочности композитного материала при деформации на изгиб металлическую сетку целесообразно установить на нижний слой композиционного образца, так как нижний слой образца испытывает растяжение, а верхний слой - сжатие.
I - серия (контрольных) образцов без сетки подвергалась испытанию на изгиб при комнатной температуре. Зависимость истинного напряжения от степени деформации для I - серии образцов представлена на рис. 6. Установлено, что среднее усилие разрушения в I- серии (контрольных) образцов составило 221, Н. Усредненный угол наклона кривой нагружения составил величину 361 Н/мм. Образцы разрушались пополам за счет развития трещины по всей толще образца.
Сводный график испытания на изгиб образцов 16-20
L, мм
-♦-16
18
19
20
Рис. 6. Зависимость истинного напряжения от степени деформации для I - серии (контрольных) образцов.
При изготовлении II - серии композитных образцов для испытания на статический изгиб - металлическую сетку устанавливали на нижнем слое образца, с противоположной стороны от направления нагрузки. Толщина композитного материала под сеткой составляет 1мм. а над сеткой 4 м. При деформации изгиба металлическая сетка испытывала - растяжение, а верхние слои образца, которые состоят только из композитного материала толщиной 4мм. - сжатие (рис. 4). Зависимость истинного напряжения от степени деформации в условиях изгиба для II - серии композитных образцов представлены на рис. 7.
L,мм
Рис. 7. Зависимость истинного напряжения от степени деформации в условиях изгиба для II - серии композитных образцов.
Результаты исследования показали, что среднее усилие разрушения II - серии композитных образцов составило 220, Н. Усредненный угол наклона кривой нагружения, составил величину 369 Н/мм. В момент разрушения целостность образца была нарушена трещиной, возникшей со стороны верхнего слоя композитного материала толщиной 4мм. Трещина превратилась в магистральную трещину по всей толще образца. После этого образцы сохранили способность сопротивляться нагрузке за счет растяжения сетки, установленной на нижнем слое образца, противоположном поверхности приложения нагрузки.
Для III - серии композитных образцов металлическую сетку устанавливали на верхнем слое образца со стороны приложения нагрузки. Толщина композитного материала над сеткой составляет 1мм, а под сеткой 4 мм. При деформации изгиба нижние слои образца до нейтрального слоя испытывают растяжение, а верхние - сжатие. Металлическая сетка была установлена в верхнем слое образца на расстоянии 1мм от поверхности и при деформации изгиба испытывала сжатие, а нижние слои образца, состоящие только из композитного материала, - растяжение. Зависимость истинного напряжения от степени деформации для III - серии образцов представлены на рис. 8. Результаты исследования показали, что среднее усилие разрушения III - серии образцов, когда металлическая сетка установлена на расстоянии 1мм. от поверхности приложения нагрузки составило 380 Н. Усредненный угол наклона кривой нагружения составил 386 Н/мм, при этом образцы не разрушились пополам, а возникла трещина по направлению к прикладываемой нагрузке.
L, мм
-»-Р 6
-•-Р 7 —Ж— Р 8 -•-Р 9 Р 10
Рис. 8. Зависимость истинного напряжения от степени деформации в условиях изгиба III - серии
композитных образцов.
При положении металлической сетки в верхнем слое композитного образца при деформации изгиба сетка испытывала сжатие, прочность образца увеличилась на 75,5% по сравнению с контрольными образцами (I - серия) и образцами, у которых металлическая сетка установлена в нижнем слое со стороны противоположной к нагрузке (III - серия).
Выводы
В результате исследования установлено, что при расположении металлической сетки в верхнем слое композитного образца, когда при деформации на изгиб сетка испытывает сжатие, образцы не разрушились пополам, а возникала трещина по направлению к прикладываемой нагрузке. Прочность композитного образца увеличилась по сравнению с контрольными образцами и с композитными образцами, где металлическая сетка установлена в нижнем слое образца и испытывает растяжение при деформации на изгиб. При испытании на статический изгиб композитных образцов, когда сетка установлена с противоположной стороны от направления нагрузки (на нижнем слое образца), а толщина композитного материала под сеткой составила 1мм. а над сеткой 4мм., было установлено, что прочность композитных образцов не меняется по сравнению с контрольными образцами , изготовленными из композитного материала без сетки. Целостность композитного образца нарушается трещиной, возникшей со стороны верхнего слоя композитного материала, металлическая сетка препятствует возникновению разрушения композитного образца за счет растяжения сетки. Возникновение и направление роста трещин, приводящих к разрушению целостности образцов, существенно зависит от положения металлической сетки. Доказано, что сетка препятствует возникновению и росту трещин.
Список литературы
1. Матвеева А.И., Гветадзе Р.Ш., Гаврюшин С.С., Повышения эффективности ортопедического лечения больных на основе математического моделирования перспективных конструкций имплантатов. - Стоматология.-1997г. -№5. - С. 44 - 48.
2. Биргер И.А.,Шорр Б.Ф.,Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. - М.: Машиностроение, 1979. -702с.
3. Вычислительные методы в механике разрушения. - М.: Мир, 1990.- 392с.
4. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. - М.: Машиностроение, 1975.-400с.
5. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов.- М.:Наука,2007.-589с.
6. Шаповалов Л.А. Моделирование в задачах механики элементов конструкций.-М.:Машиностроение,1990.-228с.
7. Меликян М.Л., Давыдова К.И., Гаврюшин С.С., Мартиросян К.С., Компаниец И.В., Меликян К.М., Меликян Г.М.Анализ прочностных свойств сеточных металлокомпо-зиционных материалов, применяемых в армирующей стоматологии Меликяна М.Л.Институт стоматологии. №3, 2012 С.62-63.
8. Гаврюшин С.С., Барышникова О.О., Борискин О.Ф. Численные методы в динамике и прочности машин.- М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана,2012.-492с.
9. Меликян К.М., Меликян М.Л., Гаврюшин С.С., Мартиросян К.С., Меликян Г.М. Анализ прочностных свойств сеточных металлокомпозитных материалов, применяемых в армирующей стоматологии Меликяна М.Л. (АСМ) Часть III // Институт стоматоло-гии,-2013. - № 1(58). - С. 50 - 51.
Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 12, pp. 128-136.
DOI: 10.7463/0815.9328000
Received: Revised:
##.##.2014 ##.##.2014
Science^Education
of the Bauman MSTU
I SS N 1994-0408 © Bauman Moscow State Technical Unversity
Research of Reinforced Composite Samples Strength at Three-Point Bending
*
N.T. Gavrushina, B.V. Buketkin
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: reinforcing dentistry, tensile strength, static bending, composite material, mesh metallocomposite, the direction of load application, zone of elongation, zone of compression, high-strength wire-composite metal layer, reinforced zone
The use of composite materials using reinforcement improves the quality of dental treatment and prosthetics. The basic idea of reinforcing dentistry, is that a reinforcing element representing a metal plated twisted mesh is used in the process of restoration (reconstruction). In the paper we study the mechanical properties of specimens made of composite material, depending on the position of the grid and the direction of the applied load. The selected three-point bending test is the most informative in assessing the strength of dental materials, as during the chewing function the vertical and horizontal forces influence on the teeth.
The aim of the conducted tests was to obtain the static deformation curve of samples of composite material bending. The study found that the location of the metal mesh in the upper layer of the composite sample, when the deformation on the bending of the mesh undergoes compression, the samples are not destroyed in half, and there was a crack in the direction of the applied load. The strength of the composite sample is increased compared with the control samples and composite samples, where the metal grid is placed on the bottom layer of the sample and test the tensile strain at the bend.
When tested in static bending of composite samples, when the grid is mounted on the opposite side from the direction of the load (on the bottom layer of the sample), it was found that the strength of the composite samples is not changed in comparison with the control samples made of composite material without a grid. The integrity of the composite sample is broken by the crack appeared from the side of the top layer of the composite material, a metal grid prevents the destruction of the composite sample due to the stretching of the grid. The emergence and direction of crack growth, leading to the destruction of the integrity of samples, significantly depends on the position of a metal grid. It is proved that the grid prevents the emergence and growth of cracks.
References
1. Матвеева А.И., Гветадзе Р.Ш., Гаврюшин С.С., Повышения эффективности ортопедического лечения больных на основе математического моделирования перспективных конструкций имплантатов. - Стоматология.-1997г. -№5. - С. 44 - 48.
2. Биргер И.А.,Шорр Б.Ф.,Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник.- М.: Машиностроение, 1979.-702с.
3. Вычислительные методы в механике разрушения. - М.: Мир, 1990.- 392с.
4. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. - М.: Машиностроение, 1975.-400с.
5. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов.- М.:Наука,2007.-589с.
6. Шаповалов Л.А. Моделирование в задачах механики элементов конструкций. -М.:Машиностроение,1990.-228с.
7. Меликян М.Л., Давыдова К.И., Гаврюшин С.С., Мартиросян К.С., Компаниец И.В., Меликян К.М., Меликян Г.М.Анализ прочностных свойств сеточных металлокомпози-ционных материалов, применяемых в армирующей стоматологии Меликяна М.Л.Институт стоматологии. №3, 2012 С.62-63.
8. Гаврюшин С.С., Барышникова О.О., Борискин О.Ф. Численные методы в динамике и прочности машин.- М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана,2012.-492с.
9. Меликян К.М., Меликян М.Л., Гаврюшин С.С., Мартиросян К.С., Меликян Г.М. Анализ прочностных свойств сеточных металлокомпозитных материалов, применяемых в армирующей стоматологии Меликяна М.Л. (АСМ) Часть III // Институт стоматологии,-2013. - № 1(58). - С. 50 - 51.
