制作頰側多曲簧的牙用不銹鋼絲的性能分析
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摘要：目的 通過測試并比較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制，為臨床選用適宜的牙用不銹鋼絲制備頰側多曲簧提供一定的參考。方法 選用彎制頰側多曲簧的直徑為φ0.8 mm的上齒牌、上?？禈蚺?、鋒棱牌、上海榮祥牌的牙用不銹鋼絲，應用萬能拉伸儀測量比較四種材料480℃加熱退火后的拉伸試驗、金相組織微觀測試及EDX能譜分析。結果 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多曲簧。結論 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，更適合彎制頰側多曲簧，可考慮臨床應用。
關鍵詞：φ0.8 mm牙用不銹鋼絲;頰側多曲簧;力學性能
中圖分類號：R783 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.06.028
文章編號：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
臨床應用的頰側多曲簧活動矯治器是一種有效治療乳、替牙期AngleⅢ類錯牙合及牙性、骨性偏牙合畸形的活動矯治器[1-3]，可促進上頜向前發育，抑制下頜生長，可導致下頜功能性后退。相比較于傳統活動矯治器，頰側多曲簧活動矯治器在發揮功能矯治器作用的同時，還附加了頰側多曲簧的機械力量。矯治器通過上、下頜托將上頜和下頜形成一個整體[4]，以頰側多曲簧的彈力形成近遠中方向頜間交互支抗作用力，不僅作用于某一個牙齒，而是對上、下頜牙列整體同時作用[5]。但在臨床應用中我們發現，因不銹鋼曲簧絲的材質特性，在患兒佩戴過程中，頰側多曲簧在口內開閉口循環應力作用下常出現疲勞斷裂現象，而重新制作還要耗費大量時間，這一現象便中斷了矯治的連接性，延長了矯治療程，增加了患兒及家長的復診次數，同時也增加了醫生和技師的工作時間和勞動量。目前市場上有多種品牌的牙用不銹鋼絲材料，從外觀上我們無法判斷其材質在彎制頰側多曲簧時所產生的優劣。就這種情況，我們選用市場上常用的直徑為φ0.8 mm的上齒牌、上海康橋牌、鋒棱牌、上海榮祥牌的牙用不銹鋼絲，應用萬能拉伸測力儀測量比較四種材料480℃加熱退火處理后的拉伸試驗、電鏡掃描斷口形貌試驗及能譜分析，為臨床選用適宜的不銹鋼絲材料制備頰側多曲簧提供指導。 1材料與方法
1.1實驗材料 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。本研究獨立完成，與相關公司無商業利益關系。
1.2主要設備及儀器 管式真空加熱爐（加熱溫度范圍800℃，控溫±0.5℃）、萬能拉伸測力機INSTRN-5569型，US、FEITMHeliosNanolab600i電子/離子雙束系統S-4700掃描電鏡、噴金設備。
1.2.1管式真空加熱爐 ①組成：真空泵、真空管路系統、加熱陶瓷管、絕緣藍板、氦氣罐、高壓閥、電控系統，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，接真空泵并設置加熱溫度（480℃），設置真空度為0.1 Pa，在真空度為0.1 Pa的基礎上進行加熱，同時充入氦氣等惰性氣體，防止國產醫用不銹鋼絲被氧化。升溫速率100℃/h，升溫到規定溫度后，保溫30 min，隨爐冷卻至室溫，取出待用。
1.2.2萬能拉伸測力儀INSTRN-5569型 ①組成：固定端夾頭、拉伸移動（沿中心線上、下移動）、驅動裝置、控制系統、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、移動端的夾頭上，做拉伸試驗，電腦記錄力值變化規律。拉伸力學性能測試：選取等長的直徑為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裂痕、劃紋及其他缺損。利用萬能拉伸測力儀，拉伸速度為2 mm/min，繪制應力-應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）和拉伸強度（單位：MPa），其中彈性模量指材料在彈性變形階段內，正應力和對應的正應變的比值，是衡量材料產生彈性變形難易程度的指標;拉伸強度是指在試件受力過程中所能承受的最大應力值;彈性模量、拉伸強度可視為衡量材料產生彈性形變難易程度的指標。
1.2.3 SEITM Helios Nanolab600i電子/離子雙束系統s-4700掃描電鏡（哈爾濱工業大學分析測試中心電鏡室），見圖3。①從每組試樣中，選取拉伸斷裂時間最短的試樣各1個，根據試樣所在組別的序號，分別編號為：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，用電熱吹風機吹干。對四種試樣斷口做噴金處理，觀察每個斷口的形貌特征變化規律。②通過EDS能譜儀對彎制頰側多曲簧牙用不銹鋼絲的材質進行分析。
1.3統計學分析 使用SPSS 24.0軟件包進行統計處理，計量資料以（x±s）表示，四組數據差異比較采用單因素方差分析，P<0.05為差異具有統計學意義。
2結果
2.1制作頰側多曲簧的四種不同品牌的牙用不銹鋼絲拉伸斷裂數據 試樣-1、2、3、4在力學性能方面比較，差異具有統計學意義（P<0.05），見圖4～圖8，表1。
2.2制作頰側多曲簧的四種不同品牌的牙用不銹鋼絲金相組織微觀測試 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，鋼絲的超細化晶粒能有效提高組織的強韌性，從而提高鋼絲的抗疲勞性能，力學性能好。由圖B可見裂紋源、裂紋擴展和疲勞瞬斷裂區三個區，均為典型的疲勞斷口形貌。由圖C可見裂紋源區疲勞斷口形貌可明顯發現裂紋源。其裂紋源均發生于試樣表面，即在牙用不銹鋼絲拉伸到極限時引起的斷裂。擴展區斷口形貌以裂紋源為起點的放射狀擴展區：可見裂紋擴展區的拉伸條紋，拉伸條紋的間距代表了在該應力狀態下，應力周期所造成的裂紋擴展量，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展的方向。拉伸裂紋的擴展過程是一個不斷減小材料承載能力的過程。
2.3制作頰側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）結果可知，四種牙用不銹鋼絲成分均為1Cr18Ni9，無大的差異。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，提高強度、硬度及耐磨性[8]，但同時降低塑性和韌性。鎳（Ni）能提高鋼的強度，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牙用不銹鋼絲的強度高于其他牙用不銹鋼絲，耐疲勞性能稍優于其他牙用不銹鋼絲彎制的頰側多曲簧。
3討論
以治療安氏Ⅲ類錯牙合畸形為主的頰側多曲簧矯治器現已廣泛應用于臨床，在臨床應用的幾年來，取得很好的效果，但因為多曲簧斷裂問題給臨床工作帶來不便。故我們期望一種較好的材料來制作頰側多曲簧，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，通過拉伸實驗的應力-應變曲線可知，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，彈性模量越小，剛度越小，抵抗彈性變形的能力越弱，應力值越大，使材料發生一定彈性形變的應力也越大，試樣-1應力值最大，試樣-2應力值最小，試樣-3、4應力值介于兩者之間，制作頰側多曲簧要求牙用不銹鋼材料既要有一定的彈性同時需要有一定的強度。通過能譜分析SEM電鏡觀察分析知，試樣-1、2、3、4國產牙用不銹鋼絲材質均為0Cr18Ni9單相奧氏體不銹鋼韌窩型結構（蜂窩狀），國產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，可呈現共同特征區，如明顯的裂紋源、裂紋擴展和瞬裂三個區。根據電鏡觀察見試樣-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多曲簧。 當然，斷裂不僅與微應力集中系數有關，而且還和材料本身的特性及表面缺陷根部半徑有關[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生，有的則是使用過程中產生的。應力幅值、平均應力大小和循環次數是影響金屬斷裂的三個主要因素[10]。金屬內部結構并不均勻，從而造成應力傳遞的不平衡，有的地方會成為應力集中區。與此同時，金屬內部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續作用下，裂紋會越來越大，形成裂紋擴展區。材料中能夠傳遞應力部分越來越小，直至剩余部分不能繼續傳遞負載時，金屬就會出現斷裂[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揮著很重要的作用。
通過研究比較制作頰側多曲簧不同品牌國產牙用不銹鋼絲通過拉伸實驗及微觀測試分析知，直徑為φ0.8 mm鋒棱牌牙用不銹鋼較細小致密、韌性好、強度高、抗疲勞性能優于其他國產牙用不銹鋼絲，是彎制頰側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
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