設(shè)計材料及加工工藝第二章 設(shè)計材料分類及特性

1、第二章設(shè)計材料的分類及特性2.1設(shè)設(shè)計材料的分類計材料的分類 1. 按材料來源分類：按材料來源分類： （1）天然材料：木材，竹，棉等；）天然材料：木材，竹，棉等； （2）加工材料：造紙，水泥，金屬）加工材料：造紙，水泥，金屬等；等； （3）合成材料：塑料，橡膠，纖維）合成材料：塑料，橡膠，纖維等；等； （4）復(fù)合材料：有機與無機非金屬等原材）復(fù)合材料：有機與無機非金屬等原材料復(fù)料復(fù)合而合而成；成； （5）智能材料或應(yīng)變材料：隨環(huán)境變化具）智能材料或應(yīng)變材料：隨環(huán)境變化具有應(yīng)有應(yīng)變能力變能力的復(fù)合材的復(fù)合材料。料。天然材料天然材料加工材料加工材料合成材料合成材料復(fù)合材復(fù)合材料料智智能材料能材料2

2、.按材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分類3.按材料的形態(tài)分類(1)線狀材料 設(shè)計中常用的有鋼管、鋼絲、鋁管、金屬棒、塑料管、塑料棒、木條、竹條、藤條等。右圖為采用金屬絲制作的椅子。3.按材料的形態(tài)分類(2)板狀材料 設(shè)計中所用的板材有金屬板、木板、塑料板、合成板、金屬網(wǎng)板、皮革、紡織布、玻璃板、紙板等。圖為采用膠合板材制作的凳子。 3.按材料的形態(tài)分類(3)塊狀材料 設(shè)計中所用的塊材有木材、石材、泡沫塑料、混凝土、鑄鋼、鑄鐵、鑄鋁、石膏等。圖為櫸木制作的椅子。 4.其他分類 （1）按材料性能特點分類 在這種分類法中材料被分為半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料、磁性材料、絕緣材料、耐熱材料、高強度材料等。 （2）按狀態(tài)分類 按

3、照材料的狀態(tài)可將材料分為氣態(tài)材料、液態(tài)材料和固態(tài)材料。 （3）按結(jié)晶狀態(tài)分類 根據(jù)材料結(jié)晶狀態(tài)的不同，可將材料分為單晶材料、多晶材料和非晶材料。4.其他分類 （4）歷史分類法這種分類法是由日本機械技術(shù)研究所的島村昭治于20世紀80年代提出的，他以人類文明發(fā)展中材料的發(fā)展歷程為依據(jù)，將材料的發(fā)展歷史分為五代： 第一代材料：石器時代的木片、石器、骨器等天然材料。 第二代材料：陶、青銅、鐵等從礦物中提煉出來的材料。 第三代材料：高分子材料，原料主要從石油、煤等礦物資源中來。 第四代材料：復(fù)合材料。 第五代材料：材料特征隨環(huán)境和時間而變化的復(fù)合材料。2.2 材料材料的特性評價的特性評價（1）材料的固有

4、特性： 即材料的物理特性和化學特性。如力學性能、熱性能、電磁性能、光學性能和防腐性能等；（2）材料的派生特性：它是由材料的固有特性派生而來的，即材料的加工特性、材料的感覺特性和經(jīng)濟特性。材料的特性：制品與材料特性的關(guān)系： 材料所呈現(xiàn)出的性能是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)，受材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)所制約。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化通過材料性能變化被人們所感知，這就是我們對材料有“硬”與“軟”、“脆”與“韌”、對某種環(huán)境“敏感”與“不敏感”的感性認識。n物理性能物理性能1.密度密度2.力學性能力學性能 n強度強度n彈性和塑性彈性和塑性n脆性和韌性脆性和韌性n剛度剛度n硬度硬度n耐磨耐磨性性 3.熱性能熱性能4.電性能

5、電性能 5.磁性能磁性能6.光性能光性能材料的固有特性：n化學性能化學性能1.耐腐蝕性耐腐蝕性2.抗氧化性抗氧化性3.耐候性耐候性1.1.密密度：材料單位體積度：材料單位體積內(nèi)內(nèi)所含的質(zhì)量，即：所含的質(zhì)量，即： 式中：式中：m 材料的質(zhì)量（材料的質(zhì)量（kgkg）；）； V V 材料在的體積（材料在的體積（m m3 3）。 )(3mkgVmn強度強度 材料在載荷材料在載荷( (外力外力) )作用下抵抗塑性變形和作用下抵抗塑性變形和破壞作用的能力，包括抗壓強度、抗拉強度、抗破壞作用的能力，包括抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度等。彎強度、抗剪強度等。屈服強度屈服強度：抗拉強度抗拉強度： a0(

6、MP )ssPF材料開始發(fā)生明顯塑性變形時的拉力試樣原始橫截面積2.力學性能ba0(MP )bPF試樣拉斷前的最大拉力試樣原始橫截面積(1)抗拉強度是指材料承受拉伸力（張力）的能力。在同等張力下發(fā)生形變較大的材料的抗拉強度較低。(2)抗壓強度是指材料承受壓力的能力。在同等壓力下發(fā)生形變較小的材料的抗壓強度較高。(3)抗彎強度是指材料抵抗彎曲不斷裂的能力，主要用于考查陶瓷等脆性材料的強度，一般采用三點抗彎測試或四點抗彎測試方法評測。(4)抗剪強度是指材料抵抗內(nèi)部滑動的能力，也就是外力與材料軸線垂直，并對材料呈剪切作用時的強度。n彈性彈性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力去材料在外力作用下產(chǎn)生變形

7、，當外力去除后仍能完全恢復(fù)其原來形狀的性能。除后仍能完全恢復(fù)其原來形狀的性能。n塑性塑性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力去當外力去除后仍保持外力作用時的形狀除后仍保持外力作用時的形狀，而不而不恢復(fù)原形恢復(fù)原形的性能的性能。 塑塑性變形性變形稱為永久變形。永久變形量大而稱為永久變形。永久變形量大而又不出現(xiàn)破裂現(xiàn)象的材料，其塑性較好。又不出現(xiàn)破裂現(xiàn)象的材料，其塑性較好。n脆性脆性 材料在受外力作用達到一定限度時，材料在受外力作用達到一定限度時， 無明顯變形而突然破壞的性無明顯變形而突然破壞的性質(zhì)。質(zhì)。n韌性韌性 材料在沖擊載荷或震動載荷作用下，材料在沖擊載荷或震動載荷作

8、用下， 能承受很大變形而不破壞的能力，也稱沖能承受很大變形而不破壞的能力，也稱沖擊韌擊韌性性。n剛度剛度 指材料在受力時抵抗彈性變形的能力。材指材料在受力時抵抗彈性變形的能力。材料抵抗彈性變形的能力越大，材料的剛度越好。料抵抗彈性變形的能力越大，材料的剛度越好。強度與剛度的區(qū)別：強度與剛度的區(qū)別：1）強度是材料破壞時所需要的應(yīng)力。一般只是針對材料而言的。它的大小與材料本身的性質(zhì)及受力形式有關(guān)，與材料的形狀無關(guān)。 2）剛度指某種構(gòu)件或結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，即引起單位變形時所需要的應(yīng)力。一般是針對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)而言的。它的大小不僅與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的截面和形狀有關(guān)。 n硬度硬度 材材

9、料抵抗其他物體壓入自身表面的料抵抗其他物體壓入自身表面的能力，反映材料局部塑性變形的能能力，反映材料局部塑性變形的能力。力。n耐磨耐磨性性 耐耐磨性的好壞常以磨損量作為衡量磨性的好壞常以磨損量作為衡量的指標，磨損量越小，說明材料的指標，磨損量越小，說明材料耐磨耐磨性越好。性越好。3.熱性能導(dǎo)熱性：材料將熱量從一側(cè)表面?zhèn)鬟f到另一側(cè)表面的能力，通常用導(dǎo)熱系數(shù)來表示。 耐熱性：材料長期在熱環(huán)境下抵抗熱破壞的能力，通常用耐熱溫度來表示。晶態(tài)材料以熔點溫度為指標(如金屬材料、晶態(tài)塑料)；非晶態(tài)材料以轉(zhuǎn)化溫度為指標(如非晶態(tài)塑料、玻璃等)。熱脹性：材料由于溫度變化產(chǎn)生膨脹或收縮的性能，通常用線膨脹系數(shù)表示

10、。熱脹系數(shù)以高分子材料為最大，金屬材料次之，陶瓷材料最小。耐燃性:材料對火焰和高溫的抵抗性能。根據(jù)材料耐燃能力可分為不燃材料和易燃材料。 耐火性：材料長期抵抗高熱而不熔化的性能。耐火材料按耐火度又分為耐火材料、 難熔材料和易熔材料。4.電性能1）導(dǎo)電性：材料傳導(dǎo)電流的能力。通常用電導(dǎo)率來衡量導(dǎo)電性的好壞。電導(dǎo)率大的材料導(dǎo)電性能好。2）電絕緣性：與導(dǎo)電性相反，通常用電阻率、介電常數(shù)和擊穿強度來表示。電阻率是電導(dǎo)率的倒數(shù)，電阻率大，材料電絕緣性好；擊穿強度越大，材料電絕緣性愈好；介電常數(shù)越小 ,材料的電絕緣性越好。 5.磁性能磁性能是指金屬材料在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性強弱的性能。按磁化程度分為：鐵

11、磁性材料在外加磁場中，能強烈被磁化到很大程度，如鐵、鈷、鎳等。順磁性材料在外加磁場中，只是被微弱磁化，如錳、鉻、鉬等?？勾判圆牧夏軌蚩咕芑驕p弱外加磁場磁化作用的材料，如銅、金、銀、鉛 6.光性能材料對光的反射、透射、折射的性質(zhì)。如材料對光的透射率愈高，材料的透明度愈好，材料對光的反射率高，材料的表面反光強，為高光材料。材料的化學特性材料的化學性能指材料在常溫或高溫時抵抗各種介質(zhì)的化學或電化學侵蝕的能力，是衡量材料性能優(yōu)劣的主要質(zhì)量指標。它主要包括耐腐蝕性、抗氧化性和耐候性等。耐腐蝕性：材料抵抗周圍介質(zhì)腐蝕破壞的能力?？寡趸裕翰牧显诔鼗蚋邷貢r抵抗氧化作用的能力。耐候性：材料在各種氣候條件下，

12、保持其物理性能和化學性能不變的性質(zhì)。玻璃、陶瓷的耐候性好，塑料的耐候性差。 2.4.材料的工藝特性 材料的工藝性是指材料適應(yīng)各種工藝處理要求的能力，材料的工藝性包括材料的成型工藝、加工工藝和表面處理工藝。 它是材料固有特性的綜合反應(yīng)是決定材料能否進行加工或如何進行加工的重要因素，它直接關(guān)系到加工效率、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本等。 材料通過工藝過程成為具有一定形態(tài)、結(jié)構(gòu)、尺寸和表面特征的工業(yè)產(chǎn)品，將設(shè)計方案轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂惺褂煤蛯徝纼r值的實體。2.4.材料的工藝特性材料的成型加工 造型設(shè)計中，材料在通過加工后，必須能構(gòu)成并且能長期“記憶”住設(shè)計所賦予它的應(yīng)有形態(tài)，從而才能最終成為產(chǎn)品。 材料的成型加工性是衡

13、量產(chǎn)品造型材料優(yōu)劣的重要標志。產(chǎn)品造型設(shè)計材料必須具有良好的成型加工性能。 材料通過成型加工才能成為產(chǎn)品，并體現(xiàn)出設(shè)計者的設(shè)計思想。 如果沒有先進、合理、可行的工藝手段，多么先進的結(jié)構(gòu)和美觀的造型，也只是紙上談兵而實現(xiàn)不了。 材料的成型加工成型加工工藝對設(shè)計效果的影響因素很多，主要從以下幾個方面反映出來。 1.工藝方法2.工藝水平3.新工藝的采用4.工藝方法的綜合運用1.工藝方法不同的材料有不同的成型加工方法。 鋼鐵材料可采用鑄造、鍛壓、焊接、切削加工(如車、鉆、鏜、磨、銑、刨等)等方法制造出許多機械設(shè)備和日用產(chǎn)品； 木材具有易鋸、易刨、易打孔、易組合等加工成型特性； 塑料的原料易得、性能優(yōu)良

14、(如重量徑、絕緣性好、耐腐蝕、耐藥品、有絕熱性等)、表面富有裝飾效果和不同質(zhì)感，可塑性特別強；1.工藝方法相同的材料和結(jié)構(gòu)方式，采用不同的工藝方法，所獲得的外觀效果差異較大。用同樣的鋼板材料，彎板制作電氣控制柜用手工方法卷板成型很難達到預(yù)期效果，且費時、勞動強度大；而采用機器彎板成型工藝方法，成型準確，外觀平滑整齊、美觀，生產(chǎn)效率高，適合彎折復(fù)雜的斷面，是目前鋼板成型的較好工藝方式。1.工藝方法相同的造型，由于所選材料和工藝方法不同，其造型結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)的變化，以至最終的外觀造型效果也有一定差別。如圖，(a)為鑄造成型；(b)采用厚鋼板焊接成型；(c)采用薄鋼板彎折成型(為了增加結(jié)構(gòu)強度，在構(gòu)

15、件上焊接一塊加強板)。 2.工藝水平材料、結(jié)構(gòu)和工藝方法均相同，但由于工藝水平不同，所獲得的產(chǎn)品質(zhì)量也不同。同樣的零件采用翻砂鑄造，所得零件粗糙，尺寸精度很低；采用熔模鑄造，零件的精度和表面質(zhì)量就可提高很多。為了提高機床外觀質(zhì)量，改變過去傻大粗黑的造型，機床鑄件應(yīng)采用方形小圓角。顯出棱角分明，形體平面平整光潔。但由于鑄造工藝水平低，鑄件很難滿足要求。為了提高外觀精度，許多精密機床的外表面不得不進行粗加工、以彌補鑄件精度低的缺陷。3.新工藝的采用新工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝是提高產(chǎn)品造型效果的有效途徑。隨著科學技術(shù)的深入發(fā)展，先進工藝和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)如精密鑄造、精密鍛造、精密沖壓、擠壓、模鍛、軋制和粉末冶

16、金工藝等使毛坯趨于成品。在加工中電火花、電解、激光、電子束和超聲加工等工藝的發(fā)展，使難加工材料、復(fù)雜形面、精密微孔等的加工變得較為容易和方便。 3.新工藝的采用4.工藝方法的綜合應(yīng)用由于不同的成型方式各具特點，以及生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)水平、加工成本等方面的限制，因而不同的成型加工方式對產(chǎn)品造型設(shè)計提出生產(chǎn)工藝方面的要求也不同。 如鑄件產(chǎn)品的造型設(shè)計要有適宜的脫模斜度、合理的結(jié)構(gòu)和壁厚，以便于脫模和減少模具制作的困難，降低成本；切削加工件的造型在設(shè)計上要方便刀具的正常出入；模壓產(chǎn)品設(shè)計要有一個合理的分型面，為了使材料充滿模具，外形應(yīng)力求簡單、平直，并盡可能避免多孔、深孔、拉伸度過長的產(chǎn)品造型。 設(shè)計師

17、雖然不直接動手參與材料的加工成型，但是必須了解所設(shè)計的產(chǎn)品是否有可能采用某種技術(shù)來加工成型。設(shè)計師必須充分了解各種材料的特性與適合該材料的各種成型技術(shù)。 材料的表面處理表面處理技術(shù)是指采用諸如表面電鍍、涂裝、研磨、拋光、覆貼等能改變材料表面性質(zhì)與狀態(tài)的表面加工與裝飾技術(shù)。 具體說就是要處理諸如色彩、光澤、紋理、質(zhì)地等直接賦于視覺與觸覺的一切表面造型要素。1.表面處理的目的1）保護產(chǎn)品：保護材料本身賦予產(chǎn)品表面的光澤、色彩、肌理等而呈現(xiàn)出的外觀美，并提高產(chǎn)品的耐用性，確保產(chǎn)品的安全性。 2）根據(jù)產(chǎn)品造型設(shè)計的意圖，改變產(chǎn)品表面狀態(tài)、賦予表面更豐富的色彩、光澤、肌理等，提高表面裝飾效果，改善表面的

18、物理性能(光性能、熱性能、電性能等)、化學性能(防腐蝕、防污染、延長使用壽命)及生物學性能防蟲、防腐、防霉等)，使產(chǎn)品表面有更好的感覺特性。 1.表面處理的目的表面處理技術(shù)既可使相同材料具有不同的感覺特性(同材異質(zhì)感)，又可使不同材料獲得相同的感覺特性(異材同質(zhì)感)，如圖28所示。如電鍍不僅可改變塑料表面性能，而目可使塑料表面呈現(xiàn)金屬的光澤和質(zhì)感；表面涂覆工藝不僅使金屬獲得符合設(shè)計要求的色彩，還可獲得仿木紋、仿皮革、仿紡織物等各種肌理。 2.表面處理的類型（1）表面被覆 在原有材料表面堆積新物質(zhì)的技術(shù)，依據(jù)被覆材料和被覆處理方式的不同，表面被覆處理有鍍層被覆、有機涂層被覆、琺瑯被覆等。鍍層被覆

19、：鍍層被覆技術(shù)能在制品表面形成具有金屬特性的鍍層，金屬鍍層不僅能提高制品的耐蝕性和耐磨性，而且能夠增強制品表面的色彩、光澤和肌理的裝飾效果，因此能保護和美化表面，提高產(chǎn)品的檔次。鍍層被覆的金屬有銅、鎳、鉻、鐵、鋅、錫、鋁、鉛、金、銀、鉑及其合金。鍍層的顏色、色調(diào)和耐候性見表24。 （1）表面被覆 涂層被覆涂層被覆技術(shù)是在制品表面形成以有機物為主體的膜層，并干燥成膜的工藝。這是一種簡單而又經(jīng)濟可行的表面裝飾方法，在工業(yè)上通常簡稱為涂裝。圖210為表面采用多色涂飾的木結(jié)構(gòu)椅子。 涂層被覆涂裝的目的有三方面：保護作用：防止制品表面受腐蝕、被劃傷和臟污，提高制品的耐久性；裝飾作用：將制品表面裝飾成涂層

20、所具有的色彩、光澤和肌理，使制品在外觀的視覺感受上成為美觀悅目的制品； 特殊作用：使制品具有隔熱、絕緣、耐水、耐輻射、殺菌、吸收雷達波、隔音、導(dǎo)電等特殊功能。特別是通過涂裝與其他表面處理技術(shù)相疊加的多重處理，可獲得能適應(yīng)相當苛刻條件和使用環(huán)境的防護裝飾涂層。涂層被覆涂裝所用的材料是各種涂料，一般由主要成膜物質(zhì)、次要成膜物質(zhì)、輔助成膜物質(zhì)和揮發(fā)物質(zhì)組合而成。 涂層被覆其中主要成膜物質(zhì)是涂料中的主要組分，大多數(shù)為各種合成樹脂，其主要作用是將其他成分粘結(jié)成一個整體，并能附著在被覆制品表面，形成堅韌的保護膜。根據(jù)涂料中的主要成膜物質(zhì)的類型，我國涂料種類可分為17類，如表25所示。涂層被覆由于有機溶劑涂

21、料在使用時對環(huán)境有污染，同時為了節(jié)省資源，現(xiàn)代涂料已從有機涂料向水性涂料、粉末涂料、高固體組分涂料和反應(yīng)性涂料轉(zhuǎn)化，并向無溶劑涂料過渡。 涂裝工藝一般包括制件表面涂裝前處理、涂敷涂料及涂層干燥三大步驟。由于涂層的厚度較薄，若涂裝工藝實施不當， 制件的涂層容易出現(xiàn)劣化、脫落、起泡、膜下浸蝕等，因此必須嚴格實施正確涂裝工藝，保證涂裝質(zhì)量。 琺瑯被覆琺瑯被覆是用玻璃質(zhì)材料在金屬制品表面形成一被覆層，然后在800左右進行燒制而成。圖210為表面涂飾搪瓷涂層的鐘表。 鐵、銅、鋁、不銹鋼以及金、銀都可被覆琺瑯。采用法瑯被覆的制品具有堅固性和耐蝕性，并有優(yōu)良的裝飾性。但其缺點是受到?jīng)_擊和溫度急劇變化時，琺瑯

22、層容易剝落。 （2）表面層改質(zhì)表面層改質(zhì)處理的方法主要有化成處理和陽極氧化處理。化成處理：是通過氧或堿液的作用使金屬表面形成氧化物或無機鹽覆蓋膜的過程。進行化成處理后，要求形成的覆蓋膜對基體材料具有耐蝕保護性、耐磨性，并對基本材料有良好的附著能力，即不會從基體金屬上剝離。 陽極氧化處理：將金屬制件置于電解槽中的陽極上，通過電化學作用使其氧化而形成氧化膜的過程稱為陽極氧化，這種表面處理方法對鋁及其合金制件廣泛使用。 經(jīng)過陽極化氧處理可在表面獲得厚度為幾十到幾百微米的氧化膜，井能通過調(diào)整陽極氧化所用的電解液及工藝條件等，得到不同硬度、彈性、孔隙及孔徑的氧化膜。 （2）表面層改質(zhì)鋁及鋁合金經(jīng)陽極氧化處理后得到的新鮮氧化膜，具有多孔狀結(jié)構(gòu)所以膜層有很好的吸附性，對各種染料表現(xiàn)出良好的吸附能力， 因而再經(jīng)過一定的工藝處理，可染上各種鮮艷的色彩。不僅具有防護作用，還有裝飾效果。圖212為表面采用陽極氧化處理的鋁壺。 （2）表面精加工將材料加工成平滑、光亮、美觀和具有凹凸肌理的表面狀態(tài)。通常采用切削、蝕刻、噴砂、拋光等方法。圖213為表面經(jīng)過精加工處理的玻璃杯。 3.材料表面處理工藝的選擇原則(1)形態(tài)的時代性產(chǎn)品的造型只有在提供