造型材料与工艺Word文档下载推荐.docx

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动物质：

皮、羽毛、骨、毛发、角、牙、油脂

植物质：

果实、茎、树皮、花、分泌物、蔓藤

② 

加工材料

纸、混凝土、合板、木棉、颜料、绢

③合成材料

塑料、橡胶、硅酸盐、合成纤维

4、按材料成份分类

① 

有机材料：

塑料、橡胶、有机纤维

无机材料：

金属、硅酸盐、玻璃

③ 

复合材料：

玻璃纤维增强树脂

④ 

其它：

石墨、金刚石、碳纤维

5、按材料构造分类

晶质材料

金刚石、岩盐（单晶体）、金属、陶瓷（多晶体）

②非晶质材料

6、按材料形状分类

线材、板状材料、块状材料

本课程着重介绍材料

金属材料、高分子材料

陶瓷材料、玻璃、木材、涂料

三、 

材料的一样性质

1、密度ρ=m/V

ρ——材料的密度（kg/m3）

m——干燥材料的质量（kg）

V——材料在绝对密实状态下的体积（m3）

容重：

又称表观密度（ApparentDensity）有的也称毛体积密度，表观密度是指材料在自然状态下，单位体积所具有的质量，按下式运算：

ρ=m/V0

V0－材料在自然状态下的体积，或称表观体积（cm3或m3）。

材料在自然状态下的体积是指材料的实体积与材料内所含全部孔隙体积之和。

关于外形规则的材料，其测定专门简便，只要测得材料的重量和体积，即可算得表观密度。

不规则材料的体积要采纳排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防水分渗人材料内部而阻碍测定值。

三、 

2、熔点

熔点：

纯金属由固态转变为液态时的温度，低于700℃为易熔金属

高分子材料：

高于glasstransition温度Tg为高粘度液体或橡胶状材料

热塑性塑料熔点Tm>

Tg；

热固性塑料无Tm、Tg

3、比热容（SepcificHeatCapacity）

单位质量的材料温度升高1℃所需要的热量J/（Kg•K）

水的比热较大，金属的比热更小一些

c铝>

c铁>

c钢>

c铅

（1）不同的物质有不同的比热，比热是物质的一种特性；

（2）同一物质的比热一样不随质量、形状、温度而变化，如一杯水与一桶水，冷水与热水，它们的比热相同；

（3）对同一物质，比热值与物体的状态有关，同一物质在同一状态下的比热是一定的，但在不同的状态时，比热是不相同的，如，水的比热与冰的比热不同。

4、热导率（coefficientofheatconductivity）：

相对的两个面给予单位温差，在单位时刻内传导的热量称为热导率（导热系数）W/m•K

5、热膨胀系数（coefficientofheatexpansion）：

材料两点之间的单位距离在温度升高1℃时的变化为线膨胀系数，单位体积的变化为体胀系数

6、强度（strength）：

R——材料的极限强度（Pa）P——材料破坏的最大载荷（N）F——材料受力截面积（cm2）

7、弹性与塑性（elasticityandplasticity）

在外力除去后能复原原先形状的能力称材料的弹性

材料能承担永久变形的能力称材料的塑性

8、脆性与韧性（brittlenessandtoughness）

材料承担外力无明显变形突然破坏的性质称脆性

承担冲击载荷或振动载荷而不破坏的性能称为材料的韧性

材料的一样性质

9、硬度（hardness）：

表面抗塑性变形或破坏的能力

布氏硬度：

金属材料、塑料、橡胶

负荷P（1875~3000N）钢球直径D（2.5~10mm）压入被测金属表面保持10~60s后测压痕的直径

洛氏硬度：

以硬质压头的压痕深度来表示材料的硬度HR（A、B、C）

维氏硬度：

与布氏硬度测量原理相似，所加载荷较小，压头为1360顶角的金刚石棱锥，测出压痕两对角线的平均长度。

HV适合极薄零件和表面渗碳、渗氮层的硬度，精度高。

补充金属材料的几点性质

（1）导电性：

金属材料传导电流的能力称导电性。

衡量导电性好坏的参数

电阻率：

运算和衡量金属材料在常温下（200C）电阻值大小的性能指标

导电性：

银>

铜和铝合金<

纯金属

（2）磁性：

磁性是指金属材料在磁场中被磁化而出现磁性强弱的性能

铁磁性材料——在外加磁场中，能强烈被磁化到专门大程度，如铁、钴、镍

抗磁性材料——能抗拒或减弱外加磁场磁化作用的材料：

铜、金、银、铅

顺磁性材料—在外加磁场中，只是被柔弱磁化，如锰、铬、钼

（3）耐磨性：

以磨损量作为衡量的指标。

（4）耐腐蚀性：

指金属材料抗击周围介质腐蚀破坏的能力。

（5）抗氧化性：

指金属材料在室温或高温下抗击氧化作用的能力，是高温材料的一项重要性能指标。

补充非金属材料的几点性质

孔隙率：

衡量孔隙的指标

孔隙率是指材料内部间隙体积占材料总体积的百分比

材料的胀缩：

由于大气中温度、湿度的变化或其他介质的作用引起的。

材料在使用过程中、其胀缩常受到制品结构的限制，会造成制品开裂和变形。

非金属材料的变形：

弹性变形、塑性变形、弹性模量

徐变（或称蠕变）和放松对材料的使用阻碍较大

亲水性：

假如材料在空气中与水接触，材料分子与水分子之间的附着力大于水分子之间的内聚力，则水就能潮湿材料的表面；

否则材料不能被潮湿，这种材料叫憎水性材料

吸水性：

指材料吸取水分的能力

耐水性：

指材料长期在水的作用下其强度不显著降低的性能。

抗渗性：

这是指材料抗击压力水渗透的性能

其它：

导热性、热容、耐热性、耐燃性、耐火性、耐久性

四、材料感受特性的运用

（一） 

材料感受特性的概念

对材料的认识是实现产品设计的前提和保证

按材料构成分为自然质感人为质感

1、材料感受特性的内容

材料感受特性：

又称材料质感，包括生理心理属性和物理属性

通过感受器官对材料表面特点的刺激引起的对材料的综合印象

2、材料的感受特性评判

3、阻碍材料感受特性的相关因素

（1）材料种类：

组成、结构

（2）成型加工工艺及表面处理工艺

不同的加工方法和工艺技巧会产生不同的外观成效，从而获得不同的感受特性

锻造、铸造、焊接、铆接、编织、车削、磨削、电镀、喷砂

（二） 

质感设计质感设计是产品造型的要素之一

认材→选材→配材→理材→用材

1、 

质感设计的形式美法则

形式美：

生活和自然中各种形式因素、几何要素、色彩、材质、光泽、形状的有机组合

质感设计的形式美法则：

各种材质有规律组合的差不多法则

（1）调和与对比法则

整体与局部：

统一和谐、对立变化在变化中求统一，在统一中求变化

（2）主从法则

强调在产品质感设计上要有重点，主从分明，有侧重点

2、 

质感设计的运用原则

（1）合理性：

正确、经济

（2）艺术性：

提高艺术造型成效

（3）制造性：

突破材料运用的陈规采纳新材料、新工艺→产生新成效

3、质感设计的要紧作用

（1）提高适用性通过良好的触觉质感设计→提高适用性

（2）增加宜人性良好的视觉质感设计

（3）塑造产品的精神品位从整体动身→注意整体和谐→品位

（4）达到产品的多样性和经济性人为质感设计替代和补偿自然质感选用不同材料塑造产品的个性特点

（5）制造全新的产品风格

（三）材料的抽象表达

材料的抽象表达

材料特点→提炼、升华→具审美价值的意义→沿抽象表达的共同方向→具有抽象意念的材料

材料抽象表达的基础：

抽象思维

抽取形体的本质属性，撇开非本质属性的思维，用抽象符号代替具体形体形象，融进人们对艺术和文化的修养及个人激情。

3、 

材料抽象表达对设计有直截了当的意义

“用材料摸索”的原则——成为现代设计的重要理念

“用材料摸索”强调把材质美作为设计元素

“用材料摸索”对材料美感的抽象表达是设计构思的艺术元素

（四）材料的美感

产品的功能美+结构美+色彩美+形状美+材料美+工艺美

材料的色彩美

材料——色彩的载体色彩

材料的肌理美

（1） 

同一肌理材料组合——组合和谐

（2） 

相似肌理的材料组合（3） 

对比肌理的材料组合

材料的光泽美

依照材料的受光特点分为

4、材料的质地美

要紧由材料自身的组成、结构、物理化学特性来表现

如软、硬、轻重、冷暖、干湿、粗细在材料的选择和配置中实现材料质地特点及美感的表现力

相似质地的材料配置

（2） 

对比质地的材料配置

5、材料的形状美——造型的差不多要素

线材——片材——块材

（1）线材的美感——长度、方向感

（2） 

片材的美感——延伸感和空间的虚实感

（3） 

块材的美感——重量感、充实感和较强的视觉表现力（4） 

综合形状的材料美感

六、产品设计中材料的选择与开发

（一）设计材料的选用

1、设计材料的选择原则

材料的外观：

感受特性材料的固有特性材料的工艺性材料的生产成本及环境因素材料的的创新

2、阻碍材料选择的差不多因素

功能

（2）差不多结构要求（3） 

外观（4） 

安全性（5） 

操纵件（6） 

抗腐蚀性（7） 

市场

材料工程的进展方向

1、新构思、新观念不断涌现：

材料低维化、材料梯度化、材料复合化、材料仿生化、材料智能化、材料绿色化

2、（营造专门环境、利用极端手段）制备专门材料，获得专门性能

3、成为其他高新技术综合应用的实验地

4、经济实力成为制约材料领域进展速度、深度和广度的关键问题

（三）设计材料的开发

功能需求分析→确定性能指标→确定材料体系加工方法→材料成分设计和工艺参数优化→性能评判→应用→产品失效分析

1、新材料：

采纳新工艺、新技术合成的具有专门机能或性能有重大突破的一类材料，依照材料来设计产品

2、新材料对产品造型设计的阻碍和作用

（1）相互融合的关系

（2）产品外观形象要具有以后性

（3）材料在与功能相适应的同时要有良好的触觉质感和更好的可操作性（4）设计应进一步开发传统材料

新材料的进展方向

基础材料的开发

金属、木材、玻璃、陶瓷、塑料

进一步探究材料组成、结构和性能，以提高或替代原有材料的特性为具体目标，获得一定的材料特性，扩大材料的使用范畴

（2） 

复合材料的开发

两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料，通过不同的工艺方法组成的多相材料，具有单一素材无法具有的机能。

目的：

补偿某些材料的缺点、利用具有某些特性的材料以构成单一材料无法实现的特性、产生新的机能。

按基体分类

按添加物的几何形状分类

纳米材料与纳米技术

a、纳米材料：

由纳米原子团组成，具有专门的体积和表面效应

b、纳米加工技术：

核心是原子或分子位置的操纵、具有专门功能的原子或分子集团的自复制和自组成。

第二章金属材料及其工艺

一、金属材料的差不多知识

金属材料的要紧性能

机械性能

载荷下的机械性能：

弹性、刚度、塑性、强度、硬度

刚度

刚度是指零件在载荷作用下抗击弹性变形的能力。

零件的刚度（或称刚性）常用单位变形所需的力或力矩来表示，刚度的大小取决于零件的几何形状和材料种类（即材料的弹性模量）。

刚度要求关于某些弹性变形量超过一定数值后，会阻碍机器工作质量的零件尤为重要，如机床的主轴、导轨、丝杠等。

塑性

塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性,对大多的工程材料来说,当其应力低于比例极限时,应力一应变关系是线性的。

大多数材料在其应力低于屈服点时，表现为弹性行为，也确实是说，当移走载荷时，其应变也完全消逝。

强度

金属材料在外力作用下抗击永久变形和断裂的能力称为强度。

按外力作用的性质不同，要紧有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出。

强度是指零件承担载荷后抗击发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。

是衡量零件本身承载能力（即抗击失效能力）的重要指标。

强度是机械零部件第一应满足的差不多要求。

机械零件的强度一样能够分为静强度、疲劳强度（弯曲疲劳和接触疲劳等）、断裂强度、冲击强度、高温顺低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度等项目。

强度的试验研究是综合性的研究，要紧是通过其应力状态来研究零部件的受力状况以及推测破坏失效的条件和时机。

硬度

材料局部抗击硬物压入其表面的能力称为硬度。

硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可明白得为是材料抗击弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抗击残余变形和反破坏的能力。

硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。

②动载荷下的机械性能

F——试样承担冲击的有效截面积

AK——冲断试样所消耗的冲击功

αk——冲击韧性（冲击值）

③交变载荷下的机械性能

σN——材料承担许多次交变载荷作用而不发生断裂破坏的最大应力

σ-1——材料在对称循环交变应力作用下的弯曲疲劳强度

应力循环基数：

有色金属108钢铁107

碳素钢σ-1≈（0.4~0.55）σb灰口铸铁σ-1≈0.4σb有色金属σ-1≈（0.3~0.4）σb

（2）金属材料的物理和化学性能

物理性能

比重、导热性、导电性、热膨胀性、磁性

化学性能

抗蚀性和抗氧化性

铸造性能（流淌性、收缩性、结晶偏析）

锻造性能（塑性变形不裂）

焊接性能

切削加工性（消耗动力小、刀具寿命长、产品质量好）

金属及合金的结构与结晶

（1）金属的结构和结晶

①金属的晶体结构：

体心立方晶格（硬）、面心立方晶格（软）、密排立方晶格

②金属的结晶过程

纯金属有固定熔点，但结晶时必须有一定程度的过冷

结晶：

晶核的形成+成长

③金属的同素异构转变

（2）合金

合金的差不多概念

铜+锌→黄铜铝+铜+镁→硬铝铁+碳→钢、生铁

二元合金：

碳钢、铸铁（Fe+C）三元合金：

硬铝多元合金

合金中具有同一化学成分和晶格结构的平均部分称为相

合金的结构

固溶相：

具有与溶剂相同的晶格形式

金属化合物：

各组元相互作用形成的具有专门晶格和明显金属特性的物质

机械混合物：

由两种以上的相组成的合金，既不互溶，也不形成化合物

渗碳体Fe3C：

铁和6.67%碳形成的金属化合物石墨化Fe3C→F+G

珠光体：

铁素体+渗碳体（机械混合物）

3、钢的热处理

（1）热处理原理

（2）钢的一般热处理

（3）钢的表面热处理

①表面淬火

感应加热表面淬火

交流磁场工件表面感应电流的电阻热加热到淬火温度喷以冷却介质

火焰加热表面淬火

乙炔——氧或煤气——氧等火焰加热，效率低，表面易脱碳

②表面化学热处理

渗碳:

低碳钢或低碳合金钢

增碳的活性介质中加热至900~9500C碳原子扩散渗入零件表层实现表面高碳化淬火并低温回火零件表层具有高的硬度和强度。

渗氮

工件含氮的活性介质中加热至500~5600C活性氮原子渗入钢件表层。

渗氮温度低、工件变形小，但时刻长、成本高，氮化层薄而脆

广泛用于存在强烈摩擦并承担冲击载荷或交变载荷的周密钢件。

碳氮共渗

在温度较高时以渗碳为主，温度低时以渗氮为主。

氰化所得的共渗层经淬火和低温回火后，硬度高、耐磨性好，有一定的耐腐蚀性，适合于中、低碳钢或合金钢的表面强化处理。

CO+CH4+NH3→加热至500~8000C→保温一段时刻→活性碳和氮

二、钢铁材料

钢铁材料的生产

生铁冶炼：

含碳量在2.11%以上的铁碳合金

高炉炼铁原料：

铁矿石+燃料和熔剂

矿石——铁的氧化物+脉石+少量杂质

燃料——提供热量和还原剂

熔剂——含CaO、MgO等碱性氧化物的石灰石、白云石等

高炉冶炼的要紧过程

矿石中铁氧化物的还原和渗碳

Fe2O3+CO→Fe3O4+CO2Fe3O4+CO→FeO+CO2FeO+CO→Fe+CO2FeO+C→Fe+CO2

②造渣和脱硫

FeS+CaO+C→Fe+CO+CaS

炼钢的方法要紧有三种转炉炼钢法平炉炼钢法电炉炼钢法

电炉炼钢——用电作为热源进行钢铁冶炼的方法

有两种形式：

一是电弧炉，一是感应炉

平炉炼钢法

平船底形状的反射炉，加入铣铁、废钢、石灰石用燃料加热溶解，以氧气或氧化铁把铣铁中的碳（C）和硅（Si）磷（P）等氧化去除，精炼完成加入硅铁、锰铁、铝去除钢液中的氧气、氮气，炼钢时刻较长。

轧钢——利用轧机使金属产生塑性变形，把钢锭或钢坯变成具有一定形状和尺寸规格钢材的过程

按轧制温度分类

热轧：

把钢锭加热至单相固溶体的温度后进行压力加工，在再结晶温度上终止变形。

制件塑性好，变形抗力小，适合轧制较大断面尺寸、塑性较差或要求变形量较大的材料。

冷轧：

直截了当用冷料进行轧制，产品表面光洁，尺寸精确，具有加工硬化效应和较高的强度和硬度，但冷变形抗力大，适用于轧制塑性好、尺寸小的线材、薄板。

按轧制时坯件与轧辊的相对位置分类

纵轧：

板、带、管、型材

斜轧：

变截面的金属材料

横轧：

车轮、轮箍、齿轮等环形工件

（二）碳钢

1、碳钢的成分

含碳量小于2.11%的铁碳合金

成份:

铁、碳、Mn、Si、P、S、O、N、H

碳含量越高硬度越大，塑性和韧性越低碳钢的强度以共析含碳量2.11%为最高

硅、锰：

是有益元素，但含量专门少，对钢的性能阻碍不大

硫、磷：

是十分有害的杂质，能引起钢液的偏析，降低塑性和韧性，使钢产生“冷脆”和“热脆”

氮、氢、氧：

也是有害杂质，使钢的韧性和疲劳强度急剧降低

2、碳钢的分类、编号和用途

按含碳量分

低碳钢：

含碳0.08~0.25%塑性好，多用于冲压、焊接、渗碳件

中碳钢：

含碳量0.25~0.6%，有一定的强度和韧性，热处理后可获良好的综合机械性能。

高碳钢：

含碳量0.6~1.4%，硬度高，多用作工具、量具和模具

按质量分

碳素结构钢：

一般工程构件和零件

碳素工具钢：

各种工具钢

优质碳素结构钢：

有害杂质含量较少，塑性和韧性较高，可热处理强化45钢

含碳量0.65~1.35%，优质碳素工具钢高级碳素工具钢，如T8和T8A

（三）合金钢

冶炼的过程中加入合金元素的钢称合金钢，制造一些重要工程结构和机器设备的零部件。

按用途分为：

合金结构钢、合金工具钢、专门性能钢。

按合金元素含量分为：

低合金钢、中合金钢、高合金钢。

按冶金质量不同分为：

优质钢、高级优质钢、特级优质钢。

合金钢牌号表示方法

合金钢的牌号是采纳合金元素符号和数字来表示的，即：

数字＋合金元素符号＋数字。

例如，平均含铬量为0.6%的合金工具钢，其牌号表示为“Cr06

（四）铸铁

铸造用的生铁，含碳量在2.5~4.0%

依照碳存在的形式不同分为

灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁（马钢或马铁）蠕墨铸铁

三、铝及铝合金

（一）铝的生产

从铝矿石中提取氧化铝（电热法、酸法、碱法）→氧化铝电解得到纯铝（熔盐电解法采纳Na3AlF6冰晶石作为电解质）

经电解提炼的铝的纯度可达99.7%

原铝、纯铝（铸造）→铝锭

（二）纯铝

1、铝的性质

银白色轻金属导电性好，耐蚀性强

铝的晶体属面心立方结构，塑性好、易冷热成型、切削加工接近于非磁性材料

2、铝的分类、编号和用途

高纯铝L01~L04编号越大纯度越高

工业纯铝L1~L5编号越大，纯度越低

高级纯铝（铝的含量99.93%-99.999%）

工业高纯铝（铝的含量99.85%-99.90%）

工业纯铝（铝的含量98.0%-99.7%）

建筑业、航空及国防军工部门、电力输送、汽车制造、集装箱运输、日常用品、家用电器、机械设备

（三）铝合金

铸造铝合金（生铝合金）

变形铝合金

1、铸造铝合金（生铝合金）

用于形状复杂、承载不大，重量轻、耐蚀、耐热的铸件

2、变形铝合金

经冷、热加工变形后，以锻坯、型材、板材等形式供应

防锈铝合金LF铝锰合金LF21铝镁合金LF2LF3

硬铝合金LY杜拉铝，可加工变形及通过热处理强化，但耐蚀性较差

超硬铝合金LCAl+Zn+Cu+Mg锻铝合金LDAl+Mg+Si+Cu

铸造和变形铝合金产品广泛用于航空、航天、宇航、兵器、潜艇、船舶、核工业等重要军工部门及重要民用部门。

（四）铝材

铝及铝合金经压力加工具有一定的形状及尺寸后，可供直截了当使用或再加工的半成品称为铝材

板、管、棒、型材、线材、箔材

板：

R热轧板L冷轧板（可热处理强化、不可热处理强化）

管：

外径×

壁厚

四、其它金属材料

重金属轻金属贵金属半金属稀有金属黑色金属

（一）铜及铜合金

纯铜玫瑰红色的金属紫铜

铜合金

黄铜

一般黄铜H×

×

表示含铜62%,其余为Zn的

专门黄铜HPb59-1表示59%Cu、1%Pb。

余量为Zn的铅黄铜

青铜

锡青铜QSn6.5-0.4,表示6.5Sn及0.4%P的锡-磷青铜

专门青铜

白铜

白铜BMn3-12,是含3%Ni及12%Mn的锰白铜

1、纯铜

性质和用途导电性好：

仅次于银抗磁性材料导热性好化学稳固性高

10830C比重8.93g/cm3面心立方晶格结构：

极好的可塑性和加工性能不宜直截了当用作结构材料

（2）纯铜的种类和牌号

T1T