造型材料与工艺的分类及特征

1、第二章 设计材料的分类及特点u设计材料的分类u材料特性的评价u材料的固有特性u材料的工艺（成型加工、表面处理）2.1 设计材料的分类设计材料的分类为了更好的了解材料，从以下几个角度来对材料进行分类：（1）按材料的来源分类n第一代天然材料不改变在自然界中所保持的状态，或只施加低度加工的材料，如木材、竹、棉、毛、皮革、石材等n第二代加工材料利用天然材料经不同程度的加工而得到的材料，人造板、纸、水泥、金属、陶瓷、玻璃等n第三代合成材料利用化学合成方法将石油、天然气和煤等制造而得到的高分子材料，如塑料、橡胶、纤维等n第四代复合材料用有机、无机非金属乃至金属等各种原材料复合而成的材料n第五代智能材料随环

2、境条件的变化具有应变能力，拥有潜在功能高级形式的材料，如纳米材料，记忆金属等2.1 设计材料的分类设计材料的分类（2）按材料的物质结构分类（根据化学键不同：金属键、离子键、共价键）n金属材料：n 黑色金属，如：铸铁、碳钢、合金钢等；n 有色金属，如：铜、铝及其合金等n 特殊金属材料：非晶态金属、高强度模铝锂合金、形状记忆合金、减震合金、超塑合金、储氢合金、超导合金等。n无机材料： 石材、陶瓷、玻璃、石膏等； 高温结构陶瓷、高频绝缘陶瓷、导体陶瓷、半导体陶瓷等n有机材料：木材、皮革、塑料、橡胶等n复合材料：玻璃钢、碳纤维复合材料等2.1 设计材料的分类设计材料的分类3）按材料的形态分类n线状材料

3、：常用的钢管、钢丝、铝管、金属棒、塑料管、塑料棒、木条、竹条、藤条等。n板状材料：金属板、木板、塑料板、合成板、金属网板、皮革、纺织布、玻璃板、纸板等n块状材料：木材、石材、泡沫塑料、混凝土、铸钢、铸铁、铸铝、油泥、石膏等4）按材料加工度的分类天然材料：加工材料：人造材料：2.2 材料特性的评价材料特性的评价 材料特性包括两个方面：一是材料的固有特性，既材料的物理和化学特性，如力学性能、热性能、电磁性能、光学性能和防腐性能等；二是材料的派生特性，它是由材料的固有特性派生儿来的，既材料的加工特性、材料的感觉特性和经济特性。2.2 材料特性的评价材料特性的评价2.2 材料特性的评价材料特性的评价评

4、价类型评价因素基础评价物质评价组成、结构、密度、形态、组织等性能评价物理性能机械性能（强度、弹性等）热性能（热膨胀、热传导、耐热性等）电磁性能（导电性、导磁性等）光学性能（颜色、反射率、偏光率等）化学性能耐酸性耐碱性耐臭氧性综合评价寿命、耐环境性、可靠性、安全性等2.3材料的固有特性材料的固有特性 材料的固有特性是由材料本身的组成、结构所决定的，是指材料在使用条件下表现出来的性能，它受外界条件的制约。2.3.1 材料的物理性能（1）密度（2）力学性能（机械性能）n强度：指材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏作用的能力（Pa）。n -曲线图曲线图，其各特征点的含义为： noa段：应力与应变为直线关

5、系，此时a点所对应的应力值称为比例极限比例极限，用p表示。它是应力与应变成正比例的最大极限。 =E n即胡克定律，E为弹性模量，单位与相同。n在屈服阶段应力不变而应变不断增加，这种现象叫屈服。对应的应力s叫屈服极限屈服极限。n让试件继续变形，必须继续加载，最高点（e点）所对应的应力b称为强强度极限度极限。n应力达到强度极限后，试件局部发生剧烈收缩的现象，称为颈缩。ns，b是衡量材料强度的重要指标。n为度量材料塑性变形的能力，定义延伸率延伸率和截面收缩率为 n材料分为两类： 5%-塑性材料； 5%-脆性材料。n其它塑性材料拉伸时的力学性能 工程上规定取完全卸载后具有残余应变量0.2%时的应力叫名

6、义屈服极限名义屈服极限，用0.2 表示。n铸铁拉伸时的力学性能具有以下特点铸铁拉伸时的力学性能具有以下特点 1）铸铁拉伸时的应力-应变关系，它只有一个强度指标；且抗拉强度较低； 2）在断裂破坏前，几乎没有塑性变形； 3）关系近似服从胡克定律，并以割线的斜率作为弹性模量。 极限应力，许用应力，安全系数极限应力，许用应力，安全系数 工程材料失效的两种形式为： （1）塑性屈服，指材料失效时产生明显的塑性变形，并伴有屈服现象。如低碳钢、铝合金等塑性材料。 （2）脆性断裂，材料失效时几乎不产生塑性变形而突然断裂。如铸铁、混凝土等脆断材料。 n极限应力：极限应力：对于塑性材料，进入塑性屈服时的应力取屈服极

7、限取屈服极限； 对于脆性材料：断裂时的应力是强度极限是强度极限。许用应力：保证构件安全可靠工作所容许的最大应力值。n安全系数安全系数的选取原则充分体现了工程上处理安全与经济一对矛盾的原则，是复杂、审慎的事。其影响因素： n（1） 对载荷估计的准确性与把握性。n（2） 材料的均匀性与力学性能指标的稳定性。n（3） 计算公式的近似性：由于应力、应变等理论计算公式建立在材料均匀连续，各向同性假设基础上，拉伸（压缩）应力，变形公式要求载荷通过等直杆的轴线等，所以材料不均匀性，加载的偏心，杆件的初曲率都会造成理论计算的不精确。 n（4） 环境：如加工精度，腐蚀介质，高、低温等问题均应予以考虑。n弹性和塑

8、性：弹性指材料受外力作用而发生变形，外力除去后能恢复原形状的性能。塑性指材料在外力作用下产生变形，外力除去后能保持变形后的形状，而不恢复原形状的性能。n脆性和韧性：指材料受外力作用达到一定限度后，产生破坏而无明显变形的性能。韧性指材料在冲击载荷或振动载荷下能承受很大的变形而不致破坏的性能。n硬度：材料表面抵抗塑性变形和破坏的能力（材料抵抗其他物体压入自己表面的能力）。n耐磨性：在摩擦力作用下，材料表面抵抗磨损的能力。n抗疲劳性：材料在反复作用力(拉伸、压缩、弯曲、扭曲等)下抵抗破坏的能力。应力的振幅超过某一限度材料即会导致材料的断裂，这一限度称为疲劳极限。疲劳寿命指在某一特定应力下，材料发生疲

9、劳断裂前的循环数。（3）热性能n熔点：由固态转变为液态时的温度称为材料的熔点。n比热容：将1kg的材料温度升高1所需要的热量称为该材料的比热容。单位J/(kgK)n热膨胀系数n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。主要影响因素：空隙率和含水量。n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。n热膨胀性：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。n耐燃性：材料对火焰和高温的抵抗性能。n耐火性：材料长期抵抗高热而不熔化的性能，或称耐熔性。（4）电性能n导电性：材料传导电流的能力。通常用导电率来衡量导电性的好坏。n电绝缘性：材

10、料阻止传导电流的能力。（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： 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。 顺磁材料：在外磁场中，只能被微弱磁化，如锰、铬、钼等。 抗磁材料：能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的材料，如铜、金、银、铅、锌等。（6）光性能 ：材料对光的反射、投射、折射的性质。2.3.2 材料的化学性能 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。n耐腐蚀性：材料抵抗周围介质腐蚀破坏能力。n抗氧化性：材料在常温或高温时抵抗氧化作用的能力。n耐侯性：材料在各种气

11、候条件下，保持其物理性能和化学性能不变的性质。2.4 材料的工艺性材料的工艺性n工艺对产品造型设计的作用：精湛的工艺技术是实现产品最佳效果的前提和保障。在产品造型设计中，应依据切实可行的工艺条件和工艺方法，编排出一套合理的工艺程序方案，确保工艺技术在加工过程中得以尽量发挥，将工艺的美从产品中淋漓尽致地体现出来。n材料的工艺性是指材料适应各种加工处理要求的能力，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。nLaborious 钟：材质：整块不锈钢板n 工艺：冲孔、弯曲、切割、铆接、研磨、抛光、涂饰等n其造型简洁明快，突出了机械美所特有的力量感和现代感，并生动地表现出人类的心灵手巧和娴

12、熟的技能。n2.4.1 材料的成型加工材料的成型加工 任何一件产品都具有一定的形状和结构特征,形状和结构特征是通过对材料的成型加工获得的。成型加工包括熔融状态下的一次成型和冷却后的车、铣、刨、磨等二次加工。 成型加工工艺对设计效果的影响因素：n1 工艺方法n不同的材料有不同的加工方法； 钢铁材料： 木材： 塑料：n 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很大；n 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的差别。 2 工艺水平工艺水平3 新工艺采用新工艺采用4 工艺方法的综合应用工艺方法的综合应用表表2-1 常用特

13、种加工类型常用特种加工类型加工方法加工能量应用范围电火花加工电穿孔、型腔加工、切割、强化等电解加工电化学型腔加工、抛光、去毛刺、刻印等电解磨削电化学机械平面、内外圆、成型加工等超声加工声型腔加工、穿孔、抛光等激光加工光金属、非金属材料、微孔、切割、热处理、焊接、表面图形刻制等化学加工化学金属材料，蚀刻图形，薄板加工等电子束加工电金属、非金属、微孔、切割、焊接等离子束加工电注入、镀覆、微孔、蚀刻、去毛刺、切割等喷射加工机械去毛刺、切割等2.4.2 材料的连接工艺材料的连接工艺n1. 机械连接n2. 焊接n3. 粘接技术n4. 静连接n5. 动连接2.4.3 材料的表面处理材料的表面处理n 表面处

14、理技术是指采用诸如表面电镀、涂装、研磨、抛光、覆贴等能改变材料表面性质与状态的表面加工与装饰技术。n1 表面处理的目的表面处理的目的n 从产品造型设计出发，表面处理的目的：一是保护产品，既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，由此有效地利用材料资源；二是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。n 表面处理技术，既可使相同的材质具

15、有不同的感觉特性（同材异质感），又可使不同材料获得相同的感觉特性（异材同质感）。n2 表面处理的类型表面处理的类型n设计中所采用的表面处理技术，一般可分为三类，如表2-3：表2-3 造型材料表面处理的分类分类处理的目的处理方法和技术表面精加工有平滑性和光泽，形成凹凸花纹机械方法（切削、研削、研磨）化学方法（研磨，表面清洁、蚀刻、电化学抛光）表面层改质有耐蚀性，有耐磨耗性，易着色化学方法（化成处理、表面硬化）电化学方法（阳极氧化）表面被覆有耐蚀性，有色彩性，赋予材料表面功能金属被覆（电镀、镀覆）有机物被覆（涂装、塑料衬里）珐琅被覆n表面被覆表面被覆n表面被覆的概念在原有材料表面堆积新物质的技术。

16、依据被覆材料和被覆处理方式不同，表面被覆处理有镀层被覆、有机涂层被覆、珐琅被覆等。n（1）镀层被覆：在制品表面形成具有金属特性的镀层。 A 作用：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。提高导电导磁性能；提高光的反射性能；修复工件尺寸等。 B 镀层被覆的金属有：铜、镍、铬、铁 、锌、锡、铝、铅、金、银、铂及其合金。C 电镀的基本原理D 影响电镀的因素： 表面的镀前处理（整平、除油等）；电镀液的组成（成分与浓度等）及凹处产生镀层的能力；电解规范的控制；电镀零件的设计细节CuFeCuSO4nE 金属镀层的分类及其应用来分类n防护性镀层装饰防护性镀层特殊性能

17、镀层nF 常用的金属表面装饰电镀镀铬（防护装饰性镀铬、镀黑铬、乳白铬、镀硬铬、多孔性镀铬）镀镍镀银（灯具）镀金镀合金nG塑料电镀的基本工艺过程塑料制作电镀成品化学镀还原处理活化处理敏化处理机械粗化化学除油化学粗化表2-4 镀层金属特性镀层金属镀层金属的颜色镀层的色调耐候性指示影响金黄色从带蓝头的黄色到带红头的黑色厚膜时不变不变银白色或浅灰色纯白、奶黄色、带蓝头的白色泛黄、褪色变铜红黄色桃色、红黄色泛红、泛黑变铅带蓝头的灰色铅色不变铁灰色、银色茶灰色变成茶褐色变镍灰白色茶灰白色褪光微变铬钢灰色蓝白色不变不变锡银白，黄头白色灰色褪光微变锌蓝白色蓝白色、黄色、白色产生白锈变n（2）涂层被覆：涂层被覆

18、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。 涂装的目的：涂装的目的：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、光泽和机理，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，可获得能适应相当苛刻条件和使用环境的防护装饰图层。n涂料组成：涂料组成：涂料组成主要成膜物质次要成膜物质颜料着色颜料、防锈颜料、体质颜料辅助主要成膜物质助剂增塑剂、固化剂、催化剂、稳定剂挥发成分稀料油料动物油、植物油

19、树脂天然树脂、合成树脂n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：序号主要成膜物质类别涂料类别1油脂油脂漆类2天然树脂天然树脂漆类3酚醛树脂酚醛树脂漆类4沥青沥青漆类5醇酸树脂醇酸树脂漆类6氨基树脂氨基树脂漆类7硝基纤维素硝基漆类8纤维酯、纤维醚纤维素漆类9过氯乙烯树脂过氯乙烯树脂漆类10烯类树脂烯树脂漆类11丙烯酸树脂丙烯酸树脂漆类12聚酯树脂聚酯树脂漆类13环氧树脂环氧树脂漆类14聚氨基甲酸酯聚氨酯漆类15元素有机化合物元素有机硅漆类16橡胶聚氨基甲酸酯漆类17其他其他漆类 由于有机溶剂对环境有污染，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

20、转换。 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涂装前处理、涂敷涂料及涂层干燥。n（3）珐琅被覆）珐琅被覆n珐琅被覆（景泰蓝、搪瓷）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。如图2-11。n被覆珐琅金属：铁、铜、铝、不锈钢以及金、银n被覆制品优点：坚固性和耐蚀性，并具有优良的装饰性。n缺点：受到冲击和温度急剧变化时，珐琅层容易剥落。n表面层改质表面层改质n即改变原有材料的表面性质。n方式：A通过物质扩散在原有材料表面渗入新的物质成分，改变原有材料表面的结构，如钢材的渗氮渗碳处理、铝的阳极氧化、玻璃的淬火等。nB通过化学的或电化学的反应而形成氧化膜或无机盐覆盖膜来改变材料表面的性能，来提高原有材料的耐蚀性、耐磨性及着色性等。n主要方法：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。n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