制作頰側(cè)多曲簧的牙用不銹鋼絲的性能分析

史雅絨 王培軍 徐實(shí)謙

摘要：目的? 通過測(cè)試并比較480℃加熱退火處理的四種不同品牌，直徑為φ0.8 mm牙用不銹鋼絲的電鏡斷口形貌和拉伸斷裂機(jī)制，為臨床選用適宜的牙用不銹鋼絲制備頰側(cè)多曲簧提供一定的參考。方法? 選用彎制頰側(cè)多曲簧的直徑為φ0.8 mm的上齒牌、上?？禈蚺啤h棱牌、上海榮祥牌的牙用不銹鋼絲，應(yīng)用萬(wàn)能拉伸儀測(cè)量比較四種材料480℃加熱退火后的拉伸試驗(yàn)、金相組織微觀測(cè)試及EDX能譜分析。結(jié)果? 四種不同品牌的牙用不銹鋼絲在480℃加熱退火處理下，直徑為φ0.8 mm鋒棱牌牙用不銹鋼絲拉伸能力最好，電鏡觀察見韌窩大小不一，深淺有別，Ni含量最高，更適合臨床彎制頰側(cè)多曲簧。結(jié)論? 直徑為φ0.8 mm鋒棱牌牙用不銹鋼絲較其他品牌牙用不銹鋼絲，更適合彎制頰側(cè)多曲簧，可考慮臨床應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：φ0.8 mm牙用不銹鋼絲;頰側(cè)多曲簧;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：R783? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.06.028

文章編號(hào)：1006-1959（2019）06-0089-05

Abstract：Objective? To test and compare the electron microscopic fracture morphology and tensile fracture mechanism of four different brands of dental stainless steel wire with diameter φ0.8 mm heated and annealed at 480℃， and prepare the buccal multi-curve for the clinical selection of dental stainless steel wire. The spring provides a certain reference. Methods? The upper teeth of the curved cheek side multi-curved spring with diameter φ0.8 mm， Shanghai Kangqiao brand， Fengling brand， Shanghai Rongxiang brand dental stainless steel wire were selected， and the four materials 480℃ were measured by universal tensile tester. Tensile test after heating and annealing， metallographic microstructure microscopic test and EDX spectrum analysis. Results? Four different brands of dental stainless steel wire were heated and annealed at 480℃. The diameter of φ0.8 mm was the best for the stainless steel wire. The electron microscopic observation showed that the dimples were different in size and different in depth. The highest Ni content is more suitable for clinically curved buccal multi-curved springs. Conclusion? The φ0.8 mm diameter ribbed stainless steel wire is more suitable for bending the buccal multi-curved spring than other brands of dental stainless steel wire， which can be considered for clinical application.

Key words：Φ0.8 mm dental stainless steel wire;Buccal multi-curved spring;Mechanical properties

臨床應(yīng)用的頰側(cè)多曲簧活動(dòng)矯治器是一種有效治療乳、替牙期AngleⅢ類錯(cuò)牙合及牙性、骨性偏牙合畸形的活動(dòng)矯治器[1-3]，可促進(jìn)上頜向前發(fā)育，抑制下頜生長(zhǎng)，可導(dǎo)致下頜功能性后退。相比較于傳統(tǒng)活動(dòng)矯治器，頰側(cè)多曲簧活動(dòng)矯治器在發(fā)揮功能矯治器作用的同時(shí)，還附加了頰側(cè)多曲簧的機(jī)械力量。矯治器通過上、下頜托將上頜和下頜形成一個(gè)整體[4]，以頰側(cè)多曲簧的彈力形成近遠(yuǎn)中方向頜間交互支抗作用力，不僅作用于某一個(gè)牙齒，而是對(duì)上、下頜牙列整體同時(shí)作用[5]。但在臨床應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)，因不銹鋼曲簧絲的材質(zhì)特性，在患兒佩戴過程中，頰側(cè)多曲簧在口內(nèi)開閉口循環(huán)應(yīng)力作用下常出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象，而重新制作還要耗費(fèi)大量時(shí)間，這一現(xiàn)象便中斷了矯治的連接性，延長(zhǎng)了矯治療程，增加了患兒及家長(zhǎng)的復(fù)診次數(shù)，同時(shí)也增加了醫(yī)生和技師的工作時(shí)間和勞動(dòng)量。目前市場(chǎng)上有多種品牌的牙用不銹鋼絲材料，從外觀上我們無(wú)法判斷其材質(zhì)在彎制頰側(cè)多曲簧時(shí)所產(chǎn)生的優(yōu)劣。就這種情況，我們選用市場(chǎng)上常用的直徑為φ0.8 mm的上齒牌、上?？禈蚺啤h棱牌、上海榮祥牌的牙用不銹鋼絲，應(yīng)用萬(wàn)能拉伸測(cè)力儀測(cè)量比較四種材料480℃加熱退火處理后的拉伸試驗(yàn)、電鏡掃描斷口形貌試驗(yàn)及能譜分析，為臨床選用適宜的不銹鋼絲材料制備頰側(cè)多曲簧提供指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料? 四種不同品牌（上齒牌、上?？禈蚺啤h棱牌、上海榮祥牌）的牙用不銹鋼絲，直徑均為φ0.8 mm。本研究獨(dú)立完成，與相關(guān)公司無(wú)商業(yè)利益關(guān)系。

1.2主要設(shè)備及儀器? 管式真空加熱爐（加熱溫度范圍800℃，控溫±0.5℃）、萬(wàn)能拉伸測(cè)力機(jī)INSTRN-5569型，US、FEITMHeliosNanolab600i電子/離子雙束系統(tǒng)S-4700掃描電鏡、噴金設(shè)備。

1.2.1管式真空加熱爐? ①組成：真空泵、真空管路系統(tǒng)、加熱陶瓷管、絕緣藍(lán)板、氦氣罐、高壓閥、電控系統(tǒng)，見圖1。②工作程序：先將需要真空熱處理的不同品牌的牙用不銹鋼樣本放置于管式真空加熱爐中，接真空泵并設(shè)置加熱溫度（480℃），設(shè)置真空度為0.1 Pa，在真空度為0.1 Pa的基礎(chǔ)上進(jìn)行加熱，同時(shí)充入氦氣等惰性氣體，防止國(guó)產(chǎn)醫(yī)用不銹鋼絲被氧化。升溫速率100℃/h，升溫到規(guī)定溫度后，保溫30 min，隨爐冷卻至室溫，取出待用。

1.2.2萬(wàn)能拉伸測(cè)力儀INSTRN-5569型? ①組成：固定端夾頭、拉伸移動(dòng)（沿中心線上、下移動(dòng)）、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、電腦，見圖2。②工作程序：將加熱處理后不同品牌的牙用不銹鋼絲兩端夾緊至固定端、移動(dòng)端的夾頭上，做拉伸試驗(yàn)，電腦記錄力值變化規(guī)律。拉伸力學(xué)性能測(cè)試：選取等長(zhǎng)的直徑為φ0.8 mm四種不同品牌的牙用不銹鋼絲各10根，并檢查不銹鋼絲表面無(wú)裂痕、劃紋及其他缺損。利用萬(wàn)能拉伸測(cè)力儀，拉伸速度為2 mm/min，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線和彈性模量柱狀圖，觀察四種品牌牙用不銹鋼絲的彈性模量（單位：N/mm2）和拉伸強(qiáng)度（單位：MPa），其中彈性模量指材料在彈性變形階段內(nèi)，正應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的正應(yīng)變的比值，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo);拉伸強(qiáng)度是指在試件受力過程中所能承受的最大應(yīng)力值;彈性模量、拉伸強(qiáng)度可視為衡量材料產(chǎn)生彈性形變難易程度的指標(biāo)。

1.2.3 SEITM Helios? Nanolab600i電子/離子雙束系統(tǒng)s-4700掃描電鏡（哈爾濱工業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心電鏡室），見圖3。①?gòu)拿拷M試樣中，選取拉伸斷裂時(shí)間最短的試樣各1個(gè)，根據(jù)試樣所在組別的序號(hào)，分別編號(hào)為：試樣-1、試樣-2、試樣-3、試樣-4（上齒牌不銹鋼絲、上海康橋牌不銹鋼絲、鋒棱牌不銹鋼絲、上海榮祥牌不銹鋼絲）。先用95%酒精超聲波清洗后，用電熱吹風(fēng)機(jī)吹干。對(duì)四種試樣斷口做噴金處理，觀察每個(gè)斷口的形貌特征變化規(guī)律。②通過EDS能譜儀對(duì)彎制頰側(cè)多曲簧牙用不銹鋼絲的材質(zhì)進(jìn)行分析。

1.3統(tǒng)計(jì)學(xué)分析? 使用SPSS 24.0軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)量資料以（x±s）表示，四組數(shù)據(jù)差異比較采用單因素方差分析，P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2結(jié)果

2.1制作頰側(cè)多曲簧的四種不同品牌的牙用不銹鋼絲拉伸斷裂數(shù)據(jù)? 試樣-1、2、3、4在力學(xué)性能方面比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），見圖4～圖8，表1。

2.2制作頰側(cè)多曲簧的四種不同品牌的牙用不銹鋼絲金相組織微觀測(cè)試? 由電鏡圖像（圖9～圖12）可觀察到試樣-1～試樣-4拉伸斷面形貌特征：由圖A可見四種不同品牌的牙用不銹鋼絲的斷口形貌均為韌窩型斷口，單一奧氏體，試樣-3奧氏體晶粒較試樣-1、2、4均勻、致密，鋼絲的超細(xì)化晶粒能有效提高組織的強(qiáng)韌性，從而提高鋼絲的抗疲勞性能，力學(xué)性能好。由圖B可見裂紋源、裂紋擴(kuò)展和疲勞瞬斷裂區(qū)三個(gè)區(qū)，均為典型的疲勞斷口形貌。由圖C可見裂紋源區(qū)疲勞斷口形貌可明顯發(fā)現(xiàn)裂紋源。其裂紋源均發(fā)生于試樣表面，即在牙用不銹鋼絲拉伸到極限時(shí)引起的斷裂。擴(kuò)展區(qū)斷口形貌以裂紋源為起點(diǎn)的放射狀擴(kuò)展區(qū)：可見裂紋擴(kuò)展區(qū)的拉伸條紋，拉伸條紋的間距代表了在該應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力周期所造成的裂紋擴(kuò)展量，試樣-3條紋間距較試樣-1、2、4小，試樣-3條帶密度較試樣-1、2、4高（圖11）。垂直于拉伸條紋的方向代表裂紋擴(kuò)展的方向。拉伸裂紋的擴(kuò)展過程是一個(gè)不斷減小材料承載能力的過程。

2.3制作頰側(cè)多曲簧的四種不同品牌的牙用不銹鋼絲的能譜分析? 由能譜分析（圖13～圖16）結(jié)果可知，四種牙用不銹鋼絲成分均為1Cr18Ni9，無(wú)大的差異。其中鉻（Cr）是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。Cr加入鋼中能顯著改善鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力，提高強(qiáng)度、硬度及耐磨性[8]，但同時(shí)降低塑性和韌性。鎳（Ni）能提高鋼的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性。四種不銹鋼絲鎳的含量中，試樣-3比其他試樣牙用不銹鋼絲含量高，因而試樣-3牙用不銹鋼絲的強(qiáng)度高于其他牙用不銹鋼絲，耐疲勞性能稍優(yōu)于其他牙用不銹鋼絲彎制的頰側(cè)多曲簧。

3討論

以治療安氏Ⅲ類錯(cuò)牙合畸形為主的頰側(cè)多曲簧矯治器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于臨床，在臨床應(yīng)用的幾年來(lái)，取得很好的效果，但因?yàn)槎嗲蓴嗔褑栴}給臨床工作帶來(lái)不便。故我們期望一種較好的材料來(lái)制作頰側(cè)多曲簧，為臨床提供便利。

四種不同品牌的牙用不銹鋼絲在480℃加熱退火處理下，通過拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，試樣-1、3的彈性模量比試樣-2小，比試樣-4大。彈性模量越大，剛度越大，抵抗彈性變形的能力越強(qiáng)，彈性模量越小，剛度越小，抵抗彈性變形的能力越弱，應(yīng)力值越大，使材料發(fā)生一定彈性形變的應(yīng)力也越大，試樣-1應(yīng)力值最大，試樣-2應(yīng)力值最小，試樣-3、4應(yīng)力值介于兩者之間，制作頰側(cè)多曲簧要求牙用不銹鋼材料既要有一定的彈性同時(shí)需要有一定的強(qiáng)度。通過能譜分析SEM電鏡觀察分析知，試樣-1、2、3、4國(guó)產(chǎn)牙用不銹鋼絲材質(zhì)均為0Cr18Ni9單相奧氏體不銹鋼韌窩型結(jié)構(gòu)（蜂窩狀），國(guó)產(chǎn)不銹鋼絲金屬材料的斷口形貌在電鏡低倍下觀察不同品牌的牙用不銹鋼絲斷口形貌相近，均為不銹鋼絲拉伸斷口形貌，可呈現(xiàn)共同特征區(qū)，如明顯的裂紋源、裂紋擴(kuò)展和瞬裂三個(gè)區(qū)。根據(jù)電鏡觀察見試樣-3韌窩大小不一，深淺有別，Ni含量最高，故試樣-3更適合臨床彎制頰側(cè)多曲簧。

當(dāng)然，斷裂不僅與微應(yīng)力集中系數(shù)有關(guān)，而且還和材料本身的特性及表面缺陷根部半徑有關(guān)[6-9]，斷裂總是起源于微裂紋處，這些裂紋有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加工制作過程中產(chǎn)生，有的則是使用過程中產(chǎn)生的。應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)是影響金屬斷裂的三個(gè)主要因素[10]。金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不均勻，從而造成應(yīng)力傳遞的不平衡，有的地方會(huì)成為應(yīng)力集中區(qū)。與此同時(shí)，金屬內(nèi)部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續(xù)作用下，裂紋會(huì)越來(lái)越大，形成裂紋擴(kuò)展區(qū)。材料中能夠傳遞應(yīng)力部分越來(lái)越小，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負(fù)載時(shí)，金屬就會(huì)出現(xiàn)斷裂[10，11]，因此表面微缺陷的根部半徑在決定表面形貌的疲勞性能方面也發(fā)揮著很重要的作用。

通過研究比較制作頰側(cè)多曲簧不同品牌國(guó)產(chǎn)牙用不銹鋼絲通過拉伸實(shí)驗(yàn)及微觀測(cè)試分析知，直徑為φ0.8 mm鋒棱牌牙用不銹鋼較細(xì)小致密、韌性好、強(qiáng)度高、抗疲勞性能優(yōu)于其他國(guó)產(chǎn)牙用不銹鋼絲，是彎制頰側(cè)多曲簧比較理想的材料。

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收稿日期：2019-1-6;修回日期：2019-1-14

編輯/楊倩