设计材料及加工工艺第二章设计材料的分类及特性课件

1、第二章设计材料的分类及特性2.1设计材料的分类 1. 按材料来源分类： （1）天然材料：木材，竹，棉等； （2）加工材料：造纸，水泥，金属等； （3）合成材料：塑料，橡胶，纤维等； （4）复合材料：有机与无机非金属等原材料复合而成； （5）智能材料或应变材料：随环境变化具有应变能力的复合材料。天然材料加工材料合成材料复合材料智能材料2.按材料的物质结构分类3.按材料的形态分类(1)线状材料 设计中常用的有钢管、钢丝、铝管、金属棒、塑料管、塑料棒、木条、竹条、藤条等。右图为采用金属丝制作的椅子。3.按材料的形态分类(2)板状材料 设计中所用的板材有金属板、木板、塑料板、合成板、金属网板、皮革、纺

2、织布、玻璃板、纸板等。图为采用胶合板材制作的凳子。 3.按材料的形态分类(3)块状材料 设计中所用的块材有木材、石材、泡沫塑料、混凝土、铸钢、铸铁、铸铝、石膏等。图为榉木制作的椅子。 4.其他分类（1）按材料性能特点分类 在这种分类法中材料被分为半导体材料、导电材料、磁性材料、绝缘材料、耐热材料、高强度材料等。（2）按状态分类 按照材料的状态可将材料分为气态材料、液态材料和固态材料。（3）按结晶状态分类 根据材料结晶状态的不同，可将材料分为单晶材料、多晶材料和非晶材料。4.其他分类（4）历史分类法这种分类法是由日本机械技术研究所的岛村昭治于20世纪80年代提出的，他以人类文明发展中材料的发展历

3、程为依据，将材料的发展历史分为五代： 第一代材料：石器时代的木片、石器、骨器等天然材料。 第二代材料：陶、青铜、铁等从矿物中提炼出来的材料。 第三代材料：高分子材料，原料主要从石油、煤等矿物资源中来。 第四代材料：复合材料。 第五代材料：材料特征随环境和时间而变化的复合材料。2.2 材料的特性评价（1）材料的固有特性： 即材料的物理特性和化学特性。如力学性能、热性能、电磁性能、光学性能和防腐性能等；（2）材料的派生特性：它是由材料的固有特性派生而来的，即材料的加工特性、材料的感觉特性和经济特性。材料的特性：制品与材料特性的关系：材料所呈现出的性能是材料内部结构的外在表现，受材料内部的微观结构所

4、制约。内部结构的变化通过材料性能变化被人们所感知，这就是我们对材料有“硬”与“软”、“脆”与“韧”、对某种环境“敏感”与“不敏感”的感性认识。物理性能1.密度2.力学性能 强度弹性和塑性脆性和韧性刚度硬度耐磨性 3.热性能4.电性能 5.磁性能6.光性能材料的固有特性：化学性能1.耐腐蚀性2.抗氧化性3.耐候性1.密度：材料单位体积内所含的质量，即： 式中：m 材料的质量（kg）； V 材料在的体积（m3）。 强度 材料在载荷(外力)作用下抵抗塑性变形和破坏作用的能力，包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。屈服强度：抗拉强度： 2.力学性能(1)抗拉强度是指材料承受拉伸力（张力）的能力

5、。在同等张力下发生形变较大的材料的抗拉强度较低。(2)抗压强度是指材料承受压力的能力。在同等压力下发生形变较小的材料的抗压强度较高。(3)抗弯强度是指材料抵抗弯曲不断裂的能力，主要用于考查陶瓷等脆性材料的强度，一般采用三点抗弯测试或四点抗弯测试方法评测。(4)抗剪强度是指材料抵抗内部滑动的能力，也就是外力与材料轴线垂直，并对材料呈剪切作用时的强度。弹性 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后仍能完全恢复其原来形状的性能。塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后仍保持外力作用时的形状，而不恢复原形的性能。 塑性变形称为永久变形。永久变形量大而又不出现破裂现象的材料，其塑性较好。脆性 材料在受

6、外力作用达到一定限度时， 无明显变形而突然破坏的性质。韧性 材料在冲击载荷或震动载荷作用下， 能承受很大变形而不破坏的能力，也称冲击韧性。刚度 指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。材料抵抗弹性变形的能力越大，材料的刚度越好。强度与刚度的区别：1）强度是材料破坏时所需要的应力。一般只是针对材料而言的。它的大小与材料本身的性质及受力形式有关，与材料的形状无关。 2）刚度指某种构件或结构抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的应力。一般是针对构件或结构而言的。它的大小不仅与材料本身的性质有关，而且与构件或结构的截面和形状有关。 硬度 材料抵抗其他物体压入自身表面的能力，反映材料局部塑性变形的能力。耐磨

7、性 耐磨性的好坏常以磨损量作为衡量的指标，磨损量越小，说明材料耐磨性越好。3.热性能导热性：材料将热量从一侧表面传递到另一侧表面的能力，通常用导热系数来表示。 耐热性：材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力，通常用耐热温度来表示。晶态材料以熔点温度为指标(如金属材料、晶态塑料)；非晶态材料以转化温度为指标(如非晶态塑料、玻璃等)。热胀性：材料由于温度变化产生膨胀或收缩的性能，通常用线膨胀系数表示。热胀系数以高分子材料为最大，金属材料次之，陶瓷材料最小。耐燃性:材料对火焰和高温的抵抗性能。根据材料耐燃能力可分为不燃材料和易燃材料。 耐火性：材料长期抵抗高热而不熔化的性能。耐火材料按耐火度又分为耐火材

8、料、 难熔材料和易熔材料。4.电性能1）导电性：材料传导电流的能力。通常用电导率来衡量导电性的好坏。电导率大的材料导电性能好。2）电绝缘性：与导电性相反，通常用电阻率、介电常数和击穿强度来表示。电阻率是电导率的倒数，电阻率大，材料电绝缘性好；击穿强度越大，材料电绝缘性愈好；介电常数越小 ,材料的电绝缘性越好。 5.磁性能磁性能是指金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能。按磁化程度分为：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、镍等。顺磁性材料在外加磁场中，只是被微弱磁化，如锰、铬、钼等。抗磁性材料能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的材料，如铜、金、银、铅 6.光性能材料对光的反

9、射、透射、折射的性质。如材料对光的透射率愈高，材料的透明度愈好，材料对光的反射率高，材料的表面反光强，为高光材料。材料的化学特性材料的化学性能指材料在常温或高温时抵抗各种介质的化学或电化学侵蚀的能力，是衡量材料性能优劣的主要质量指标。它主要包括耐腐蚀性、抗氧化性和耐候性等。耐腐蚀性：材料抵抗周围介质腐蚀破坏的能力。抗氧化性：材料在常温或高温时抵抗氧化作用的能力。耐候性：材料在各种气候条件下，保持其物理性能和化学性能不变的性质。玻璃、陶瓷的耐候性好，塑料的耐候性差。 2.4.材料的工艺特性材料的工艺性是指材料适应各种工艺处理要求的能力，材料的工艺性包括材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺。它是

10、材料固有特性的综合反应是决定材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，它直接关系到加工效率、产品质量和生产成本等。材料通过工艺过程成为具有一定形态、结构、尺寸和表面特征的工业产品，将设计方案转变为具有使用和审美价值的实体。2.4.材料的工艺特性材料的成型加工造型设计中，材料在通过加工后，必须能构成并且能长期“记忆”住设计所赋予它的应有形态，从而才能最终成为产品。材料的成型加工性是衡量产品造型材料优劣的重要标志。产品造型设计材料必须具有良好的成型加工性能。材料通过成型加工才能成为产品，并体现出设计者的设计思想。如果没有先进、合理、可行的工艺手段，多么先进的结构和美观的造型，也只是纸上谈兵而实现不

11、了。 材料的成型加工成型加工工艺对设计效果的影响因素很多，主要从以下几个方面反映出来。 1.工艺方法2.工艺水平3.新工艺的采用4.工艺方法的综合运用1.工艺方法不同的材料有不同的成型加工方法。钢铁材料可采用铸造、锻压、焊接、切削加工(如车、钻、镗、磨、铣、刨等)等方法制造出许多机械设备和日用产品； 木材具有易锯、易刨、易打孔、易组合等加工成型特性；塑料的原料易得、性能优良(如重量径、绝缘性好、耐腐蚀、耐药品、有绝热性等)、表面富有装饰效果和不同质感，可塑性特别强；1.工艺方法相同的材料和结构方式，采用不同的工艺方法，所获得的外观效果差异较大。用同样的钢板材料，弯板制作电气控制柜用手工方法卷板

12、成型很难达到预期效果，且费时、劳动强度大；而采用机器弯板成型工艺方法，成型准确，外观平滑整齐、美观，生产效率高，适合弯折复杂的断面，是目前钢板成型的较好工艺方式。1.工艺方法相同的造型，由于所选材料和工艺方法不同，其造型结构也发生相应的变化，以至最终的外观造型效果也有一定差别。如图，(a)为铸造成型；(b)采用厚钢板焊接成型；(c)采用薄钢板弯折成型(为了增加结构强度，在构件上焊接一块加强板)。 2.工艺水平材料、结构和工艺方法均相同，但由于工艺水平不同，所获得的产品质量也不同。同样的零件采用翻砂铸造，所得零件粗糙，尺寸精度很低；采用熔模铸造，零件的精度和表面质量就可提高很多。为了提高机床外观

13、质量，改变过去傻大粗黑的造型，机床铸件应采用方形小圆角。显出棱角分明，形体平面平整光洁。但由于铸造工艺水平低，铸件很难满足要求。为了提高外观精度，许多精密机床的外表面不得不进行粗加工、以弥补铸件精度低的缺陷。3.新工艺的采用新工艺代替传统工艺是提高产品造型效果的有效途径。随着科学技术的深入发展，先进工艺和新技术不断涌现如精密铸造、精密锻造、精密冲压、挤压、模锻、轧制和粉末冶金工艺等使毛坯趋于成品。在加工中电火花、电解、激光、电子束和超声加工等工艺的发展，使难加工材料、复杂形面、精密微孔等的加工变得较为容易和方便。 3.新工艺的采用4.工艺方法的综合应用由于不同的成型方式各具特点，以及生产设备、

14、技术水平、加工成本等方面的限制，因而不同的成型加工方式对产品造型设计提出生产工艺方面的要求也不同。 如铸件产品的造型设计要有适宜的脱模斜度、合理的结构和壁厚，以便于脱模和减少模具制作的困难，降低成本；切削加工件的造型在设计上要方便刀具的正常出入；模压产品设计要有一个合理的分型面，为了使材料充满模具，外形应力求简单、平直，并尽可能避免多孔、深孔、拉伸度过长的产品造型。 设计师虽然不直接动手参与材料的加工成型，但是必须了解所设计的产品是否有可能采用某种技术来加工成型。设计师必须充分了解各种材料的特性与适合该材料的各种成型技术。 材料的表面处理表面处理技术是指采用诸如表面电镀、涂装、研磨、抛光、覆贴

15、等能改变材料表面性质与状态的表面加工与装饰技术。 具体说就是要处理诸如色彩、光泽、纹理、质地等直接赋于视觉与触觉的一切表面造型要素。1.表面处理的目的1）保护产品：保护材料本身赋予产品表面的光泽、色彩、肌理等而呈现出的外观美，并提高产品的耐用性，确保产品的安全性。 2）根据产品造型设计的意图，改变产品表面状态、赋予表面更丰富的色彩、光泽、肌理等，提高表面装饰效果，改善表面的物理性能(光性能、热性能、电性能等)、化学性能(防腐蚀、防污染、延长使用寿命)及生物学性能防虫、防腐、防霉等)，使产品表面有更好的感觉特性。 1.表面处理的目的表面处理技术既可使相同材料具有不同的感觉特性(同材异质感)，又可

16、使不同材料获得相同的感觉特性(异材同质感)，如图28所示。如电镀不仅可改变塑料表面性能，而目可使塑料表面呈现金属的光泽和质感；表面涂覆工艺不仅使金属获得符合设计要求的色彩，还可获得仿木纹、仿皮革、仿纺织物等各种肌理。 2.表面处理的类型（1）表面被覆 在原有材料表面堆积新物质的技术，依据被覆材料和被覆处理方式的不同，表面被覆处理有镀层被覆、有机涂层被覆、珐琅被覆等。镀层被覆：镀层被覆技术能在制品表面形成具有金属特性的镀层，金属镀层不仅能提高制品的耐蚀性和耐磨性，而且能够增强制品表面的色彩、光泽和肌理的装饰效果，因此能保护和美化表面，提高产品的档次。镀层被覆的金属有铜、镍、铬、铁、锌、锡、铝、铅

17、、金、银、铂及其合金。镀层的颜色、色调和耐候性见表24。 （1）表面被覆 涂层被覆涂层被覆技术是在制品表面形成以有机物为主体的膜层，并干燥成膜的工艺。这是一种简单而又经济可行的表面装饰方法，在工业上通常简称为涂装。图210为表面采用多色涂饰的木结构椅子。 涂层被覆涂装的目的有三方面：保护作用：防止制品表面受腐蚀、被划伤和脏污，提高制品的耐久性；装饰作用：将制品表面装饰成涂层所具有的色彩、光泽和肌理，使制品在外观的视觉感受上成为美观悦目的制品； 特殊作用：使制品具有隔热、绝缘、耐水、耐辐射、杀菌、吸收雷达波、隔音、导电等特殊功能。特别是通过涂装与其他表面处理技术相叠加的多重处理，可获得能适应相当

18、苛刻条件和使用环境的防护装饰涂层。涂层被覆涂装所用的材料是各种涂料，一般由主要成膜物质、次要成膜物质、辅助成膜物质和挥发物质组合而成。 涂层被覆其中主要成膜物质是涂料中的主要组分，大多数为各种合成树脂，其主要作用是将其他成分粘结成一个整体，并能附着在被覆制品表面，形成坚韧的保护膜。根据涂料中的主要成膜物质的类型，我国涂料种类可分为17类，如表25所示。涂层被覆由于有机溶剂涂料在使用时对环境有污染，同时为了节省资源，现代涂料已从有机涂料向水性涂料、粉末涂料、高固体组分涂料和反应性涂料转化，并向无溶剂涂料过渡。 涂装工艺一般包括制件表面涂装前处理、涂敷涂料及涂层干燥三大步骤。由于涂层的厚度较薄，若

19、涂装工艺实施不当， 制件的涂层容易出现劣化、脱落、起泡、膜下浸蚀等，因此必须严格实施正确涂装工艺，保证涂装质量。 珐琅被覆珐琅被覆是用玻璃质材料在金属制品表面形成一被覆层，然后在800左右进行烧制而成。图210为表面涂饰搪瓷涂层的钟表。 铁、铜、铝、不锈钢以及金、银都可被覆珐琅。采用法琅被覆的制品具有坚固性和耐蚀性，并有优良的装饰性。但其缺点是受到冲击和温度急剧变化时，珐琅层容易剥落。 （2）表面层改质表面层改质处理的方法主要有化成处理和阳极氧化处理。化成处理：是通过氧或碱液的作用使金属表面形成氧化物或无机盐覆盖膜的过程。进行化成处理后，要求形成的覆盖膜对基体材料具有耐蚀保护性、耐磨性，并对基

20、本材料有良好的附着能力，即不会从基体金属上剥离。 阳极氧化处理：将金属制件置于电解槽中的阳极上，通过电化学作用使其氧化而形成氧化膜的过程称为阳极氧化，这种表面处理方法对铝及其合金制件广泛使用。 经过阳极化氧处理可在表面获得厚度为几十到几百微米的氧化膜，井能通过调整阳极氧化所用的电解液及工艺条件等，得到不同硬度、弹性、孔隙及孔径的氧化膜。 （2）表面层改质铝及铝合金经阳极氧化处理后得到的新鲜氧化膜，具有多孔状结构所以膜层有很好的吸附性，对各种染料表现出良好的吸附能力， 因而再经过一定的工艺处理，可染上各种鲜艳的色彩。不仅具有防护作用，还有装饰效果。图212为表面采用阳极氧化处理的铝壶。 （2）表面精加工将材料加工成平滑、光亮、美观和具有凹凸肌理的表面状态。通常采用切削、蚀刻、喷砂、抛光等方法。图213为表面经过精加工处理的玻璃杯。 3.材料表面处理工艺的选择原则(1)形态的时代性产品的造型只有在提供了新材料、新工艺、新技术的基础上才可能反映出产品的时代性。产品的装饰工艺反映时代的科学技术水平。 (2)求简的单纯性产品形态的设计简洁、单纯是