造型材料与工艺.docx

1、造型材料与工艺造型材料与工艺期末复习指导20092010学年 上学期工业设计07级专业基础课第一章 概述一、 材料与设计二、 材料的分类1、按材料的发展历史分类1、第一代的天然材料：天然的石头、木材旧石器时代,人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），之后也都只是纯天然材料的简单加工而已。 2、第二代的加工材料：用矿物通过冶炼、烧结制成金属和陶瓷新石器时代、铜器时代和铁器时代，是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代，主要材料有：陶、铜和铁。 3、第三代的合成材料：将石油、天然气和煤等通过化学方法制成高分子材料人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材

2、料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料（除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表）。 4、第四代的复合材料：有机、无机非金属及金属等复合而成只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料 5、第五代的智能材料或应变材料：随环境条件的变化具有应变能力和潜在功能的高级形式的复合材料如形状记忆合金、光致变色玻璃等等都是近年研发的智能材料（自然界中的材料都具有自适应、自诊断和自修复的功能，而目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构）memory metal-记忆合金主要是镍钛合金材料 利

3、用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律。2、按材料的物理状态、化学性质及用途分类按物理状态分气体：氢、氧、氮固态材料：最常使用液态材料：有机材料（油脂、涂料）按材料的化学结构分类金属材料：金属键无机材料：离子键有机材料：共价键半导体：介于金属材料与无机材料之间按材料的用途分类建筑材料、电工材料、结构材料、电子材料、研磨材料光学材料、耐火材料、感光材料、腐蚀材料、包装材料等3、按材料的来源分类 天然材料矿物：石材、粘土、矿石、宝石、熔岩、火山灰、金刚石、煤、水晶大气、海水：气、水蒸气、水、冰、海水动物质：皮、羽毛、骨、毛发、角、牙、油脂植物质：果实、茎、树皮、花、分泌物、蔓藤 加工材料

4、 纸、混凝土、合板、木棉、颜料、绢合成材料 塑料、橡胶、硅酸盐、合成纤维 4 、按材料成份分类 有机材料：塑料、橡胶、有机纤维 无机材料：金属、硅酸盐、玻璃 复合材料：玻璃纤维增强树脂 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） 非晶质材料6、按材料形态分类线材、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、 材料的一般性质1、密度 = m/ V 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 (Apparent Density) 有的也

5、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，按下式计算： =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。 对于外形规则的材料，其测定很简便，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用排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防水分渗人材料内部而影响测定值。 三、 材料的一般性质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glass transition温度 Tg 为高粘度液体或橡胶状材料热塑性塑料 熔点TmTg；热固性塑料

6、无 Tm、Tg3、比热容（Sepcific Heat Capacity）单位质量的材料温度升高1 所需要的热量J/(KgK)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)同一物质的比热一般不随质量、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（coefficient of heat conductivity）： 相对的两个面给予单位温差，在单位时间内传导的热量称为热

7、导率（导热系数）W/mK5、热膨胀系数（coefficient of heat expansion） ： 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（elasticity and plasticity )在外力除去后能恢复原来形状的能力称材料的弹性材料能承受永久变形的能力称材料的塑性8、脆性与韧性(brittleness and toughness)材料承受外力无明显变形突然破坏的性质称脆性承受冲击载荷或振动载荷而不破坏的性能称为

8、材料的韧性 材料的一般性质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（18753000N） 钢球直径D（2.510mm） 压入被测金属表面保持1060s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：计算和衡量金属材料在常温下(200C)电阻值大小的性能指标

9、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呈现磁性强弱的性能 铁磁性材料在外加磁场中，能强烈被磁化到很大程度，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，只是被微弱磁化，如锰、铬、钼（3）耐磨性：以磨损量作为衡量的指标。（4）耐腐蚀性：指金属材料抵抗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抵抗氧化作用的能力，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空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

10、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)和松弛 对材料的使用影响较大亲水性：如果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，则水就能湿润材料的表面；否则材料不能被湿润，这种材料叫憎水性材料吸水性：指材料吸收水分的能力耐水性：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：这是指材料抵抗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、材料感觉特性的运用（一） 材料感觉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

11、感 人为质感 1、材料感觉特性的内容材料感觉特性：又称材料质感，包括生理心理属性和物理属性通过感觉器官对材料表面特征的刺激引起的对材料的综合印象2、材料的感觉特性评价3、影响材料感觉特性的相关因素（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效果，从而获得不同的感觉特性 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、形态的有机组合 质感设计的形式美法则：各种材质有规律组合的基本法则（

12、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：提高艺术造型效果（3）创造性：突破材料运用的陈规 采用新材料、新工艺产生新效果3、质感设计的主要作用（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 从整体出发注意整体和谐品位（4）达到产品的多样性和经济性 人为质感设计替代和弥补自然质感 选用不同材料塑造产品的个性特征（5）创造全新的产品风格 （三）材料的抽象表达1

13、、材料的抽象表达 材料特征提炼、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 2、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接的意义“用材料思考”的原则成为现代设计的重要理念“用材料思考”强调把材质美作为设计元素“用材料思考”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+形态美+材料美+工艺美1、 材料的色彩美材料色彩的载体 色彩2、 材料的肌理美 (1) 同一肌理材料组合组合协调 (2) 相似肌理的材料组合 (3)

14、 对比肌理的材料组合3、 材料的光泽美根据材料的受光特征分为4、材料的质地美 主要由材料自身的组成、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征及美感的表现力（1）相似质地的材料配置 （2）对比质地的材料配置 5、材料的形态美造型的基本要素 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）综合形态的材料美感 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：感觉特性 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

15、料的的创新2、影响材料选择的基本因素(1) 功能(2) 基本结构要求(3)外观(4)安全性(5)控制件(6)抗腐蚀性(7)市场（二）材料工程的发展方向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、（营造特殊环境、利用极端手段）制备特殊材料，获得特殊性能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发展速度、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价应用产品失效分析1、新材料：采用新工艺、新技术合成的具有特殊机能或性能有重大突破的一类材料，根据材

16、料来设计产品2、新材料对产品造型设计的影响和作用(1)相互融合的关系 (2) 产品外观形象要具有未来性(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3、 新材料的发展方向(1)基础材料的开发 金属、木材、玻璃、陶瓷、塑料 进一步探索材料组成、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，扩大材料的使用范围(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：弥补某些材料的缺点、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

17、机能。按基体分类 按添加物的几何形状分类(3)纳米材料与纳米技术a、纳米材料：由纳米原子团组成，具有独特的体积和表面效应b、纳米加工技术：核心是原子或分子位置的控制、具有特殊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、金属材料的基本知识 金属材料的主要性能机械性能1 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抵抗弹性变形的能力。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）。刚度要求对于某些弹性变形量超过一定数值后，会影响机器工作质量的零件尤为重要，如机床的主轴、导轨、

18、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，也就是说，当移走载荷时，其应变也完全消失。强度金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、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。强度是指零件承受载荷后抵抗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（即抵抗失效能力）的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。机械零件的强度一般可以

19、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、高温和低温强度、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，主要是通过其应力状态来研究零部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机。硬度材料局部抵抗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，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗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。 动载荷下的机械性能 F试样承受冲击的有效截面积AK冲断试样所消耗的冲击功k冲击韧性（冲击值）交变载荷下

20、的机械性能N 材料承受无数次交变载荷作用而不发生断裂破坏的最大应力-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-1（0.40.55）b 灰口铸铁-10.4b 有色金属-1（0.30.4）b（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（流动性、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） 2、 金属及合金的结构与结晶(1) 金属的结构和结晶金属的晶体结构：体心立方晶格（硬）、面心立方晶格（软）、密排立方晶格金属的结晶过程纯金

21、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 金属的同素异构转变（2）合金 合金的基本概念铜+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均匀部分称为相 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特殊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Fe3CF+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）钢的普通热处理 （3） 钢的

22、表面热处理 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 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9009500C 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5005600C 活性氮原子渗入钢件表层。渗氮温度低、工件变形小，但时间长、成本高，氮化层薄而脆广泛用于存在强烈摩擦并承受冲击载荷或交变载荷的精密钢件。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

23、、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5008000C保温一段时间活性碳和氮二、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主要过程 1 矿石中铁氧化物的还原和渗碳 Fe2O3+COFe3O4+CO2 Fe3O4+COFeO+CO2 FeO+COFe+CO2 FeO+CFe+CO2 造渣和脱硫 FeS+CaO+CFe+CO+CaS 炼钢的方法主要有三种 转炉炼钢法 平炉炼钢法

24、 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，炼钢时间较长。 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：直接用冷料进行轧制，产品表面光洁，尺寸精确，具有加工硬化效应和

25、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，但含量很少，对钢的性能影响不大硫、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

26、.080.25% 塑性好，多用于冲压、焊接、渗碳件中碳钢：含碳量0.250.6%，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0.61.4%，硬度高，多用作工具、量具和模具按质量分碳素结构钢：普通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钢碳素工具钢：含碳量0.651.35%，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、特殊性能钢。按合金元素含量分为：低合金钢、中合金钢、高合金钢。

27、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用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2.54.0%根据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 采用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

28、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 L01L04 编号越大纯度越高工业纯铝 L1L5 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 LF

29、21 铝镁合金LF2 LF3 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 LC Al+Zn+Cu+Mg 锻铝合金 LD Al+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，可供直接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 紫铜铜合金黄铜普通黄铜 H 表示含铜62%,其余为Zn的特殊黄铜 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-磷青铜特殊青铜白铜白铜 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 化学稳定性高熔点：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