工程材料及工艺教案.docx

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工程材料及工艺教案

造型工程材料及工艺

教案

赵越超

机械工程学院

2006.6

第一次课：

1．教学内容

了解产品造型设计与材料的关系。

2．讲授重点及要求：

了解和掌握。

3．时间安排：

小节10分钟。

第一章概论

第一节产品造型设计与材料

一、材料与造型

材料:

人们思想意识之外的所有物质,为人类制造有用器材的物质。

分为石器时代;铜器时代;铁器时代;人工合成材料新时代.

二、造型材料的种类及性能

（一）造型材料分类

1.按结合键性质分：

（1）金属材料（以金属键为基）；

（2）陶瓷材料（离子键为主,存在一定成分共价键）；

（3）高分子材料（大分子为共价键,大分子间物理键）；

（4）复合材料（结合键复杂）。

2.按用途分类：

结构材料；功能材料。

3.按构造分：

晶体材料；非晶体材料；混合材料。

4.按组合分类：

单一材料；复合材料。

（二）材料的基本性能：

（1）参量：

性能须量化。

例如冲击韧性α的单位是KJ/cm，即单位面积消耗的功。

（2）外界条件：

不同外界条件会得到相同的性能。

例如:

强度，高温，抗力，屈服，反复交变载荷，化学介质。

再例如含锌30%的黄铜,在室温下抗拉强度是313MPa.。

1.金属材料的性能包括：

使用性能：

力学性能（强度,弹性,塑性,韧性,硬度,疲劳强度）：

物理性能；化学性能。

工艺性能：

切削加工性；铸造，焊接，可锻性......。

（1）金属材料的力学性能

主要有强度,弹性,塑性,韧性,硬度,疲劳强度

1）强度：

材料在静载荷条件下抵抗外力产生塑变和破坏的能力。

通过拉伸试验来测其屈服强度和抗拉强度。

σs=Ps/Fo（MPa）σb=Pb/Foσ0.2=P0.2/Fo

σ--抗压强度;σ=抗弯强度

2）弹性：

在外力作用下产生变形，外力消失变形恢复变形。

变形与外力成正比。

σe=Pe/Fo（MPa）

弹性模量：

承受外力抵抗弹性变形的能力。

E=σ/εε—相对变形量。

E越大，刚性越好

3）塑性：

在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。

断面收缩率：

ψ=（Fo—Fk）/Fo×100%

延伸率：

δ=（Lk—Lo）/Lo×100%

常用的规定尺寸L=5d,10d。

4）硬度：

材料抵抗塑性变形和断裂的能力。

抵抗其他物体（压头）压入的能力。

按实验方法不同分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度。

工程上常用布氏硬度和洛氏硬度。

①布氏硬度HB=Po/F凹，压头淬火钢球直径Do=2.5或5或10。

简单,准确。

适于软金属。

②洛氏硬度

HRA120°金刚石压头，载荷为60kg，适用于硬金属，硬质合金。

HRBΦ=1.588淬火钢球，载荷为100kg，适用于相对软金属。

HRC120°金刚石压头，载荷为150kg，适用于调质钢,淬火钢。

简便，压痕小，不准确，适于硬金属。

5）冲击韧性：

在冲击载荷下抵抗变形和断裂的能力。

αk=（mgH1—mgH2）/F

F为冲击试样断口截面积8×8,长度为55mm的缺口试样

6）疲劳强度：

抵抗反复载荷而不发生断裂的能力。

σ-1=P（N次）/Fo黑色金属N=10-7,有色金属10-8

（2）金属材料的物理，化学性能：

1）密度：

质量与体积之比。

2）熔点：

固态变液态的温度。

3）导热系数:

维持单位温度梯度时单位时间流经物体单位面积的热量○线膨胀系数:

温度每升高一摄氏度材料的长度增量与原长度的比值。

4）传导电流的能力。

用电阻率，电导率表示。

银>铜>铝;纯金属>合金。

5）磁性：

材料在磁场中被磁化呈现磁性强弱的能力。

铁磁性材料：

FeNi......。

顺磁性材料：

MnCrMo......。

抗磁性材料：

CuAgPbZn......。

6）耐磨性：

以磨损量为标准衡量。

7）耐腐蚀性：

抵抗周围介质腐蚀破坏的能力。

8）抗氧化性：

在室温，高温抵抗氧化的能力。

（3）金属材料的工艺性

金属材料在加工过程中的难易程度。

1）铸造性：

熔化后注入铸型制成铸件的难易程度。

a.流动性是充填铸型的能力.受化学成分，浇注温度，充型能力的影响。

b.收缩是凝固和冷却过程中其体积尺寸减少的现象。

分液态收缩、凝固收缩、固态收缩三种.受化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型的影响。

2）可煅性：

在压力作用下塑性变形的能力。

受金属本质（化学成分、内部组织）和加工条件

（变形温度，变形速度，应力状态）影响。

3）可焊性：

指材料被焊接的难易程度。

受焊接方法、材料因素、工艺因素、使用条件影响。

4）切削加工性：

材料进行切削加工的难易程度。

受切削抗力、表面质量、排屑的影响。

5）热处理工艺性：

淬硬性，淬透性，变形，裂纹。

前者硬度与含碳量有关，后者与合金元素有关。

2.非金属材料的性能

（1）物理性能（包括容重，密度，孔隙，材料胀缩）

1）容重:

材料在自然状态下,单位体积的质量（包括孔隙和空隙○密度:

材料在绝对密实状态下单位体积的质量。

2）孔隙:

孔隙率----内部孔隙体积占总体积的百分比。

P=（V0---V）/V0×100%

3）材料的胀缩:

因温度变化而发生胀缩开裂变形。

（2）力学性能

1）强度:

特别是脆性材料,要用弯曲试验确定。

单位相同。

2）变形:

除了弹性,塑性,还有蠕变和松弛。

（3）与水相关性:

水对强度,抗腐蚀,耐久性,

1）亲水性----水滴表面与材料表面夹角<90度为亲水材料。

2）吸水性:

材料吸收水分的能力。

3）耐水性:

在水作用下,其强度不明显降低。

4）抗渗性:

抵抗压力水渗透的能力。

（4）与热有关的性能

1）导热性:

相同。

2）热容:

加热时能吸收热量,冷却时能放出热量。

3）耐热性:

长期在热环境下,抵抗热破坏的能力。

4）耐燃性:

对火和高温的抵抗能力。

5）耐火性:

抵抗高热而不熔化的能力。

6）耐久性:

使用过程中受载荷及大气等正常工作,不破坏不失去原有性质。

三、造型材料应具备的性能

工业造型材料除应具备通用性能外,还要具备造型设计特征性能

（包括感觉物性,加工成型性,表面工艺性及环境耐候性等）。

（一）感觉物性:

通过人的感觉器官对材料的综合印象。

这种感觉包括自然质感和人为质感。

例如:

木材,天然大理石,铝合金。

（二）加工成型性:

选定材料应是容易加工成型的。

青铜加工成型性不好；钢铁加工成型好,应多用；工程塑料成型性好。

（三）表面工艺性

表面处理改变表面状态,防腐,防化学,提高寿命,美观.......。

表面精加工,表质层改质处理,表面覆盖装饰,表面着色......。

（四）环境耐候性：

适应环境条件经得起环境因素变化的能力。

着色铝---阳极氧化电解铝着色（适于户外）

室内易用有机染色钢铁加保护层

四、造型材料的应用和发展

（一）基础材料向高质量,低成本方向发展。

（二）新型结构材料向高温高比强度方向发展。

（三）复合材料是高性能材料的一个重要发展趋势。

（四）信息功能材料及其他新材料。

信息材料包括半导体材料,信息记录材料,光纤材料。

新材料---立体集成电路,智能传感器,光集成电路,显示材料,敏感材料,超导材料。

第二次课：

1．教学内容

（1）了解工业造型材料的美学基础。

（2）掌握产品造型设计与工艺性的关系

2．讲授重点及要求：

了解1。

掌握2。

3．时间安排：

两次课衔接10分钟，小节10分钟。

第二节工业造型材料的美学设计基础

工业造型材料美学是研究材料的审美特性和创美规律及材料的加工方法和使用方法的学科。

材料美学具体化就是质感设计。

一、质感的概念

（一）质感的定义

是用来标志人对物体材质的生理,心理活动的。

是物体表面由内因外因形成的结构特征对人的触觉视觉产生的综合印象。

质感是工业造型设计三大感觉要素之一,即形态感,色彩感,材质感,色和物相依存的。

包括两个不同层次的概念:

形式要素机理,物面的几何细部特征;内容要素质地,物面的理化类别特征。

两个基本属性:

生理属性,如软硬,干湿,冷暖,凹凸......;物理属性,如材质,类别,性质,机能,功能......。

（二）机理:

人的感觉产生于表面,机理作用突出。

触觉机理:

凹凸,粗细;视觉机理:

氧化表面,木纹,图案。

（三）质感与产品:

是紧密联系在一起的,产品设计对材料进行加工处理形成具有物质功能又具有精神功能的产品。

当不同材料加工成产品,人的质感就不仅停留在材料表面上升华到整体的质感上。

如青铜塑像。

（四）触觉质感

手,皮肤接触感知物体表面特征。

1.触觉的生理构成:

由视觉,压觉,痛觉,位置觉,振动觉......;盲人靠触觉认识世界。

2.触觉心理构成。

此外,物面质感分为自然质感和人为质感。

二、造型质感设计形式与原则:

质感设计是工业产品设计的重要方面.设计中规范是认材--选材--配材--理材--用材。

质感设计基本原则如下:

（一）配比原则用材上有总体与局部,局部与局部的配比关系,按形式美基本法则进行配比,获得美的质感效果。

1.调和法则---使整体各部位物面质感统一和谐。

例如:

塑料不与木材搭配,机床上不与木材搭配。

2.对比法则----整体各部位物面质感有对比的变化,形成材质对比,工艺对比。

例如:

金属与非金属,人造材料与天然材料,机床油漆,精加工床面。

（二）主从原则

产品设计要有重点,主辅分开,主体在造型中起决定作用。

在整体设计中对可见部位,主要部位,常触部位要有良好视觉触觉质感,其他部位从简。

（三）适合原则

要考虑材质的功能和价值,质感应与适用性相符。

如体育金质奖杯配檀香基座好。

"器不在料,功不在细,独到设计贵胜金"。

三、质感设计在造型设计中的作用

（一）提高适用性

良好质感设计可提高整体设计适用性,如在方向盘上包上一层柔软造革。

开关压成凹凸细纹易拨动。

（二）增加装饰性

良好视觉质感设计可提高整体设计的装饰性补充形态和色彩不能代替的形式美。

如家电,汽车的涂装工艺。

（三）达到多样性和经济性

良好人为质感设计可代替和祢补自然质感,达到总体设计多样性和经济性。

如材料表面装饰---塑料贴面板代替木材。

（四）表现真实性和价值性

良好质感设计往往决定整体设计的真实性和价值性。

第三节产品造型设计与工艺性

一、造型设计与加工工艺

产品造型设计要满足加工工艺要求。

（一）工艺方法

如手工弯钢板不如机器弯钢板。

再如门结构，采用铸造方法造型的门,厚度大,表面平整性和边缘直线性都较差,且生产周期长。

用角钢做骨架,点焊钢结构制作简单,周期短,但平整性差,变形大,边缘结合不平整,欠美观。

采用卷板方式,内有加强筋，制作简便,周期短外观平直,棱线分明,外观效果好，图1-2。

（二）工艺水平

结构,材料和工艺方法相同,但工艺水平不同,其效果也不同。

如机床上铸件倒角。

（三）新工艺的采用

先进工艺不断出现,如精密铸件,精密模锻,挤压,轧制,......使毛坯接近产品,电火花,激光,超声波加工。

（四）工艺方法综合运用

运用多种工艺方法是增加造型外观设计,丰富造型艺术的有效方法。

同种材料运用不同处理方法可得到不同效果。

依据位置要求不同,镀普通镍,亮镍,黑镍,发蓝,发黑。

二、造型设计与装配工艺

工业产品由零件装配而成,要求零件要符合装配工艺。

（一）避免机械加工切削加工延长工时,要用顶丝固定,装配好后加工螺孔,改进后先加工好，图1-3。

（二）应使装配方便，