牙科陶瓷的动疲劳性能研究及循环疲劳寿命数值计算

doi:10.3877/cma.j.issn.1674-1366.2011.01.006

目的

研究牙科陶瓷材料的力学性能并预测其在循环载荷作用下的寿命。

方法

采用三点弯曲法对全瓷标准试件进行动疲劳实验。利用特征参数进一步计算材料在循环载荷下作用至断裂的循环次数理论值。

结果

全瓷材料的三点弯曲强度、特征强度σ₀ 和Weibull 模数m 分别为425.7、453.8 MPa 和7.4；亚临界裂纹生长参数n、A 和B 分别为23.1、3.4×10^-15 和857.2。全瓷材料的抗折强度预测值10 年内下降幅度达47%。数值计算结果显示，牙科陶瓷材料在0 ～200 N 循环应力幅值作用下的疲劳寿命理论值为690 447 次。

结论

水环境和载荷速率对IPS e.max Press 标准试件的抗折强度值有影响。材料的抗折强度预测值随时间推移逐渐下降。数值计算结果可为体外实验提供校验依据，但需体外循环疲劳及有限元实验对修复体在口内服役的情况进行更精确模拟。

关键词: 瓷, 动疲劳, Weibull 统计, 循环疲劳

Objectives

To investigate the mechanical properties， fatigue parameters and lifetime of IPS e.max Press material via dynamic fatigue experiments， and to obtain the lifetime under cyclic loading from equations.

Methods

Bar specimens were manufactured with IPS e.max Press material， and inert strength was measured via three-point bending method in silicon oil and analyzed with Weibull statistics. Dynamic fatigue experiments were performed at different stressing rates of 10 MPa/s， 1 MPa/s， 0.1 MPa/s and 0.05 MPa/s in artificial saliva environment to calculate the subcritical crack growth （SCG） parameters n， A and B. Strength-fracture probability-lifetime （SPT） predictions of the material were derived for a period of 10 years. Based on the SCG parameters， the theoretical number of cycles to fracture （N_f，0） was predicted and the Wöhler diagram was drawn.

Results

Inert fracture strength， characteristic strength σ₀ and Weibull modulus m were 425.7， 453.8 MPa and 7.4 respectively. The SCG parameters n， A and B were determined as 23.1， 3.4 × 10^-15 and 857.2 respectively. According to the SPT diagram，the characteristic strength of IPS e.max Press was predicted to decrease by 47% after 10 years. A calculated number of cycles to failure was determined as 690 447.

Conclusions

Humidity and loading rate have an obvious influence on fracture strength of the IPS e.max Press specimens.Predictive fracture strength of the material decreases gradually with the lapse of time. Numerical method can serve as a complementary approach to in vitro experiment. However， cyclic fatigue experiment and finite element modeling are needed for a much more accurate simulation.

Key words: Ceramic, Dynamic fatigue, Weibull statistics, Cyclic fatigue

图1 A 组e.max Press 标准试件的Weibull 分析图（MPa/s，油浴）

图2 e.max Press 标准试件的动载荷实验数据及材料疲劳参数获取右侧孤立数值点为惰性强度的测定数值，只作对比，不参与回归直线

图3 IPS e.max Press 材料的强度-概率-时间（SPT）分析图initial 为载荷实验中获得的回归直线

表1 e.max Press 标准试件载荷实验的平均抗折强度

组别	载荷速率（MPa/s）	平均抗折强度值（MPa）	标准差（MPa）
A	200	425.7	69.2
B	10	340.6	22.7
C	1	317.4	29.7
D	0.1	282.3	32.0
E	0.5	269.8	30.3

表1 e.max Press 标准试件载荷实验的平均抗折强度

组别	载荷速率（MPa/s）	平均抗折强度值（MPa）	标准差（MPa）
A	200	425.7	69.2
B	10	340.6	22.7
C	1	317.4	29.7
D	0.1	282.3	32.0
E	0.5	269.8	30.3

图4 IPS e.max Press 材料的Wöhler 图

表2 亚临界裂纹生长参数及循环加载条件下的疲劳寿命计算值（Δσ=200 MPa）

材料	A（MPa·m^0.5）	B（m/cycle）	n	N _f，0（cycle）
IPS e.max Press	3.4×10^-15	857.2	23.1	690 447

表2 亚临界裂纹生长参数及循环加载条件下的疲劳寿命计算值（Δσ=200 MPa）

材料	A（MPa·m^0.5）	B（m/cycle）	n	N _f，0（cycle）
IPS e.max Press	3.4×10^-15	857.2	23.1	690 447

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Dynamic fatigue behavior and numerical fatigue life of all ceramic material

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