工程材料課件第二章

第二章設(shè)計(jì)材料的分類及特性設(shè)計(jì)材料的分類及特性2.2材料特性的評(píng)價(jià)2.1設(shè)計(jì)材料的分類2.3材料的的固有特性2.4材料的的工藝特性2.1設(shè)計(jì)材料的分類1．按材料的來源分類第一代的天然材料第二代的加工材料第三代的合成材料第四代的復(fù)合材料第五代的智能材料或應(yīng)變材料------不改變?cè)谧匀唤缰兴３值臓顟B(tài)，或只施加低度加工的材料，如木材、竹、棉、毛、皮革、石材等。------利用天然材料經(jīng)不同程度的加工而得到的材料，加工程度從低到高，有人造板、紙、水泥、金屬、陶瓷、玻璃等。------利用化學(xué)合成方法將石油、天然氣和煤等原料制造而得的高分子材料，如塑料、橡膠、纖維等。------用有機(jī)、無機(jī)非金屬乃至金屬等各種原材料復(fù)合而成的材料。------隨環(huán)境條件的變化具有應(yīng)變能力，擁有潛在功能的高級(jí)形式的復(fù)合材料。2．按材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分類(1)線狀材料(2)板狀材料(3)塊狀材料設(shè)計(jì)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。設(shè)計(jì)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。設(shè)計(jì)中常用的塊材有木材、石材、泡沫塑料、混凝工、鑄鋼、鑄鐵、鑄鋁、油泥、石膏等。3．按材料的形態(tài)分類2.2材料特性的評(píng)價(jià)材料特性包括兩方面：固有特性和派生特性材料的物理特性和化學(xué)特性，如力學(xué)性能、熱性能、電磁性能、光學(xué)性能和防腐性能等；

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(jì)特性這些特性的綜合效應(yīng)從某種角度講決定著產(chǎn)品的基本特點(diǎn)。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，這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)只有用特殊的方法才能被觀察到，它的變化通過材料性能變化被人們所感知，這就是我們對(duì)材料有“硬”與“軟”、“脆”與“韌”、對(duì)某種環(huán)境“敏感”與“不敏感”的感性認(rèn)識(shí)。

材料特性的評(píng)價(jià)—般分為兩部分進(jìn)行：一為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)；一為綜合評(píng)價(jià)?；A(chǔ)評(píng)價(jià)是以單一評(píng)價(jià)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，而綜合評(píng)價(jià)是以組合的因素進(jìn)行評(píng)價(jià)的，是復(fù)合的、動(dòng)態(tài)的。如下圖:2.3材料的固有特性材料的固有特性是由材料本身的組成、結(jié)構(gòu)所決定的，是指材料在使用條件下表現(xiàn)出來的性能，它受外界條件(即使用條件)的制約。

2.3.1材料的物理性能

.材料的密度材料單位體積內(nèi)所含的質(zhì)量，即物質(zhì)的質(zhì)量與體積之比。密度通常用符號(hào)ρ=Μ/V(kg／m3)表示。式中M為物質(zhì)的質(zhì)量，單位為kg；V為物質(zhì)的體積，單位為m3。2力學(xué)性能指材料在外力(載荷)作用下抵抗塑性變形和破壞作用的能力。材料抵抗外力產(chǎn)生明顯塑性變形的能力稱為屈服強(qiáng)度。強(qiáng)度是評(píng)定材料質(zhì)量的重要力學(xué)性能指標(biāo)，是設(shè)計(jì)中選用材料的主要依據(jù)。由于外力作用方式不同，材料的強(qiáng)度可分為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。

彈性指材料受外力作用而發(fā)生變形，外力除去后能恢復(fù)原狀的性能。這一變形稱為彈性變形；塑性指在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力除去時(shí)，仍能保持變形后的性能的形狀，而不恢復(fù)原形的性能。這一變形稱為永久變形。

指材料受外力作用達(dá)到一定限度后，產(chǎn)生破壞而無明顯變形的性能。脆性材料易受沖擊破壞，不能承受較高的局部應(yīng)力；韌性指材料在沖擊荷重或振動(dòng)荷載下能承受很大的變形而不致破壞的性能。

材料表面抵抗塑性變形和破壞的能力，材料硬度值隨試驗(yàn)方式不同而異。

①強(qiáng)度：②彈性和塑性：

③脆性和韌性：

④硬度：

⑤耐磨性：

耐磨性的好壞常以磨損量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)。磨損量越小，說明材料磨性越好。3熱性能①導(dǎo)熱性：②耐熱性：③熱脹性：④耐燃性：⑤耐火性：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。導(dǎo)熱系數(shù)大，是熱的良導(dǎo)體，如金屬材料；導(dǎo)熱系數(shù)小，是熱的絕緣體，如高分子材料。材料長期抵抗高熱而不熔化的性能或稱耐熔性。耐火材料還應(yīng)在高溫下不變形、能承載。耐火材料按耐火度又分為耐火材料、難熔材料和易熔材料三種。材料對(duì)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。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。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。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(diǎn)溫度為指標(biāo)(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(biāo)(如非晶態(tài)塑料、玻璃等)。4電性能①導(dǎo)電性：②電絕緣性：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。

與導(dǎo)電性相反。通常用電阻奉、介電常數(shù)、擊穿強(qiáng)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(qiáng)度越大，材料電絕緣性越好；介電常數(shù)愈小，材料電絕緣性愈好。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(qiáng)弱的性能。按磁化程度分為:鐵磁性材料順磁性材料抗磁性材料能夠抗拒或減弱外加磁場磁化作用的材料，如銅、金、銀、鉛等。在外加磁場中，能強(qiáng)烈被磁化到很大程度，如鐵、鈷、鎳等。在外加磁場中，只是被微弱磁化，如錳、鉻、鉬等。6光性能材料對(duì)光的反射、透射、折射的性質(zhì)。如材料對(duì)光的透射率愈高，材料的透明度愈好；材料對(duì)光的反射率高，材料的表面反光強(qiáng)，為高光材料。首頁2.3.2材料的化學(xué)性能材料的化學(xué)性能指材料在常溫或高溫時(shí)抵抗各種介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)侵蝕的能力，是衡量材料性能優(yōu)劣的主要質(zhì)量指標(biāo)。它主要包括耐腐蝕性、抗氧化性和耐候性等。①耐腐蝕性：②抗氧化性：③耐候性：材料抵抗周圍介質(zhì)腐蝕破壞的能力。

材料在常溫或高溫時(shí)抵抗氧化作用的能力。

材料在各種氣候條件下，保持其物理性能和化學(xué)性能不變的性質(zhì)質(zhì)。如玻璃、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。2.4.1材料的成型加工

造型設(shè)計(jì)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(jì)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量產(chǎn)品造型材料優(yōu)劣的重要標(biāo)志。成型加工工藝對(duì)設(shè)計(jì)效果的影響因素很多，主要從以下幾個(gè)方面反映出來。1．工藝方法不同的材料有不同的成型加工方法。(1)鋼鐵材料的成型加工工藝性能優(yōu)良，而且成型方法很多，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(jī)械設(shè)備和日用產(chǎn)品；(2)木材至今仍然是一種優(yōu)良的造型材料，用途極廣。這是由于木材具有易鋸、易刨、易打孔、易組合等加工成型特性，加之木材表面的紋理能給人以純樸、自然、舒適的感覺；(3)塑料制品的品種和數(shù)量日益增多，這不僅是由于塑料的原料易得、性能優(yōu)良(如重量輕、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，還因?yàn)樗芰系目伤苄蕴貏e強(qiáng)，幾乎可以采用任何方法自由加工成形，塑造出幾何形體非常復(fù)雜的產(chǎn)品，因而容易體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的構(gòu)思要求，已成為當(dāng)代設(shè)計(jì)中不可缺少的重要設(shè)計(jì)材料。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。

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。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。為了提高質(zhì)量，提高產(chǎn)品造型藝術(shù)效果，提高效率，造型設(shè)計(jì)人員要不斷的學(xué)習(xí)、應(yīng)用和創(chuàng)造新工藝，才能設(shè)計(jì)和制造出更新穎、更美觀的產(chǎn)品。如：電火花加工、激光、超聲波加工等。4工藝方法的綜合應(yīng)用運(yùn)用多種工藝方法，是增加造型的外觀變化，豐富造型藝術(shù)效果的有效方法。造型設(shè)計(jì)中，要靈活運(yùn)用多種加工工藝手段，使造型充分表現(xiàn)材料本身的質(zhì)地美，或使相同的材料達(dá)到不同的質(zhì)感效果，這樣才能使造型的外觀更富于變化。設(shè)計(jì)師雖然不直接動(dòng)手參與材料的加工成型，但是必須了解所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠采用的加工成型技術(shù)。2.4.2材料的表面處理在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)產(chǎn)品的性能、使用環(huán)境、材料性質(zhì)，正確選擇表面處理工藝和面飾材料、使材料的顏色、光澤、肌理及工藝特性與產(chǎn)品的形態(tài)、內(nèi)能、工作環(huán)境匹配適宜，以獲得大方、美觀的外觀效果，給人以美的感受。

1表面處理的目的表面處理技術(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)。從產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)出發(fā)，表面處理的目的：一是保護(hù)產(chǎn)品，即保護(hù)材料本身賦了產(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，由此有效地利用材料資源；二是根據(jù)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)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，改善表面的物理性能(光性能、熱性能、電性能等)、化學(xué)性能(防腐蝕、防污染、延長使用壽命)及生物學(xué)性能(防蟲、防腐、防霉等)，使產(chǎn)品表面有更好的感覺特性。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)，如圖所示。2表面處理類型材料的表面性質(zhì)和狀態(tài)與表面處理技術(shù)有關(guān)，通過刨削，研磨、拋光、沖壓、噴砂、蝕刻、涂飾、鍍飾等同的處理工藝可獲得不同的材料表面性質(zhì)、肌理、色彩、光澤，使產(chǎn)品具有精堪的工藝美、技術(shù)美和強(qiáng)烈的時(shí)代感。設(shè)計(jì)中所采用的表面處理技術(shù)，一般可分為三類，如表所示。(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)被覆利料和被覆處理方式的不同，表面被覆處理有鍍層被覆、有機(jī)涂層被覆、琺瑯被覆等。①鍍層被覆：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(qiáng)制品表面的色彩、光澤和肌理的裝飾效果．因此能保護(hù)和美化表面，由于有優(yōu)異的鍍層，常常使制品的品位和檔次得到提高。鍍層被覆的金屬有銅、鎳、鉻、鐵，鋁、、金、銀、鉑及其合金。鍍層的顏色、色調(diào)和耐候性見下表。②涂層被覆：涂層被覆技術(shù)是在制品表面形成以有機(jī)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(jì)可行的表面裝飾方法，在工業(yè)上通常簡稱為涂裝。圖為表面采用多色涂飾的木結(jié)構(gòu)椅子。涂裝的目的有三方面：保護(hù)作用：防止制品表面受腐蝕、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(dá)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(dāng)苛刻條件和使用環(huán)境的防護(hù)裝飾涂層。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。涂料的組成決定了涂料的性能，也決定了各種涂料的使用范圍和使用效果。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，如下表所示由于有機(jī)溶劑涂料在使用時(shí)對(duì)環(huán)境有污染，同時(shí)為了節(jié)省資源，現(xiàn)代涂料已從有機(jī)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(shí)施不當(dāng)，制件的涂層容易出現(xiàn)裂化、脫落、起泡、膜下浸蝕等，因此必須嚴(yán)格實(shí)施正確涂裝工藝，保證涂裝質(zhì)量。②琺瑯被覆：公元前3世紀(jì)在埃及已有了在銅器表面的琺瑯技術(shù)，此后作為工藝技術(shù)被繼承下來，發(fā)展為稱作景泰藍(lán)的工藝美術(shù)品，很受人們器重。這種技術(shù)在工業(yè)制品上的應(yīng)用則被禰為搪瓷?，m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(jìn)行燒制而成。圖為表面涂飾搪瓷涂層的燈具。鐵、銅、鋁、不銹鋼以及金、銀都可被覆琺瑯。采用琺珀被覆的制品具有堅(jiān)固性和耐蝕性，并有優(yōu)良的裝飾性。但其缺點(diǎn)是受到?jīng)_擊和溫度急劇變化時(shí)．琺瑯層容易剝落。

(2)表面層改質(zhì)(2)表面層改質(zhì)改變?cè)胁牧系谋砻嫘再|(zhì)。可以通過物質(zhì)擴(kuò)散在原有材料表面滲入新的物質(zhì)成分，改變?cè)胁牧媳砻娴慕Y(jié)構(gòu)，如鋼材的滲碳滲氫處理、鋁的陽極氧化、玻璃的淬火等，也可以通過化學(xué)的或電化學(xué)的反應(yīng)而形成氧化膜或無機(jī)鹽覆蓋膜來改變材料表面的性能，來提高原有材料的耐蝕性、耐磨性及著色性等。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：①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(jī)鹽覆蓋膜的過程。②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(xué)作用使其氧化而形成氧化膜的過程禰為陽極氧化，這種表面處理方法對(duì)鋁及其合金制件廣泛使用。(3)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、研磨、蝕刻、噴砂、拋光等方法。圖為表面經(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現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品造型在取得合理的功能設(shè)計(jì)后，形態(tài)表面的色感、量感、質(zhì)感的設(shè)計(jì)和配置，是吸引人、喚起購買者興趣的重要方面。表面處理工藝的應(yīng)用，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，而且豐富了產(chǎn)品造型的藝術(shù)效果。材料表面處理工藝的選擇原則有以下幾個(gè)方面：(3)