工程材料课件第二章

第二章设计材料的分类及特性设计材料的分类及特性2.2材料特性的评价2.1设计材料的分类2.3材料的的固有特性2.4材料的的工艺特性2.1设计材料的分类1．按材料的来源分类第一代的天然材料第二代的加工材料第三代的合成材料第四代的复合材料第五代的智能材料或应变材料------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。------利用天然材料经不同程度的加工而得到的材料，加工程度从低到高，有人造板、纸、水泥、金属、陶瓷、玻璃等。------利用化学合成方法将石油、天然气和煤等原料制造而得的高分子材料，如塑料、橡胶、纤维等。------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。------随环境条件的变化具有应变能力，拥有潜在功能的高级形式的复合材料。2．按材料的物质结构分类(1)线状材料(2)板状材料(3)块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。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、纺织布、玻璃板、纸板等。设计中常用的块材有木材、石材、泡沫塑料、混凝工、铸钢、铸铁、铸铝、油泥、石膏等。3．按材料的形态分类2.2材料特性的评价材料特性包括两方面：固有特性和派生特性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；

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这些特性的综合效应从某种角度讲决定着产品的基本特点。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制约，这种内部结构只有用特殊的方法才能被观察到，它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。

材料特性的评价—般分为两部分进行：一为基础评价；一为综合评价。基础评价是以单一评价因素进行评价，而综合评价是以组合的因素进行评价的，是复合的、动态的。如下图:2.3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(即使用条件)的制约。

2.3.1材料的物理性能

.材料的密度材料单位体积内所含的质量，即物质的质量与体积之比。密度通常用符号ρ=Μ/V(kg／m3)表示。式中M为物质的质量，单位为kg；V为物质的体积，单位为m3。2力学性能指材料在外力(载荷)作用下抵抗塑性变形和破坏作用的能力。材料抵抗外力产生明显塑性变形的能力称为屈服强度。强度是评定材料质量的重要力学性能指标，是设计中选用材料的主要依据。由于外力作用方式不同，材料的强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度等。

弹性指材料受外力作用而发生变形，外力除去后能恢复原状的性能。这一变形称为弹性变形；塑性指在外力作用下产生变形，当外力除去时，仍能保持变形后的性能的形状，而不恢复原形的性能。这一变形称为永久变形。

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。脆性材料易受冲击破坏，不能承受较高的局部应力；韧性指材料在冲击荷重或振动荷载下能承受很大的变形而不致破坏的性能。

材料表面抵抗塑性变形和破坏的能力，材料硬度值随试验方式不同而异。

①强度：②弹性和塑性：

③脆性和韧性：

④硬度：

⑤耐磨性：

耐磨性的好坏常以磨损量作为衡量标准的指标。磨损量越小，说明材料磨性越好。3热性能①导热性：②耐热性：③热胀性：④耐燃性：⑤耐火性：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。导热系数大，是热的良导体，如金属材料；导热系数小，是热的绝缘体，如高分子材料。材料长期抵抗高热而不熔化的性能或称耐熔性。耐火材料还应在高温下不变形、能承载。耐火材料按耐火度又分为耐火材料、难熔材料和易熔材料三种。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。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。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)。4电性能①导电性：②电绝缘性：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。

与导电性相反。通常用电阻奉、介电常数、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，材料电绝缘性越好；介电常数愈小，材料电绝缘性愈好。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:铁磁性材料顺磁性材料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、铅等。在外加磁场中，能强烈被磁化到很大程度，如铁、钴、镍等。在外加磁场中，只是被微弱磁化，如锰、铬、钼等。6光性能材料对光的反射、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。首页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。它主要包括耐腐蚀性、抗氧化性和耐候性等。①耐腐蚀性：②抗氧化性：③耐候性：材料抵抗周围介质腐蚀破坏的能力。

材料在常温或高温时抵抗氧化作用的能力。

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质。如玻璃、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。2.4.1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。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．工艺方法不同的材料有不同的成型加工方法。(1)钢铁材料的成型加工工艺性能优良，而且成型方法很多，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；(2)木材至今仍然是一种优良的造型材料，用途极广。这是由于木材具有易锯、易刨、易打孔、易组合等加工成型特性，加之木材表面的纹理能给人以纯朴、自然、舒适的感觉；(3)塑料制品的品种和数量日益增多，这不仅是由于塑料的原料易得、性能优良(如重量轻、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，还因为塑料的可塑性特别强，几乎可以采用任何方法自由加工成形，塑造出几何形体非常复杂的产品，因而容易体现出设计者的构思要求，已成为当代设计中不可缺少的重要设计材料。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。

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。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。为了提高质量，提高产品造型艺术效果，提高效率，造型设计人员要不断的学习、应用和创造新工艺，才能设计和制造出更新颖、更美观的产品。如：电火花加工、激光、超声波加工等。4工艺方法的综合应用运用多种工艺方法，是增加造型的外观变化，丰富造型艺术效果的有效方法。造型设计中，要灵活运用多种加工工艺手段，使造型充分表现材料本身的质地美，或使相同的材料达到不同的质感效果，这样才能使造型的外观更富于变化。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能够采用的加工成型技术。2.4.2材料的表面处理在产品造型设计时要根据产品的性能、使用环境、材料性质，正确选择表面处理工艺和面饰材料、使材料的颜色、光泽、肌理及工艺特性与产品的形态、内能、工作环境匹配适宜，以获得大方、美观的外观效果，给人以美的感受。

1表面处理的目的表面处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。从产品造型设计出发，表面处理的目的：一是保护产品，即保护材料本身赋了产品表面的光泽、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。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)，又可使不同材料获得相同的感觉特性(异材同质感)，如图所示。2表面处理类型材料的表面性质和状态与表面处理技术有关，通过刨削，研磨、抛光、冲压、喷砂、蚀刻、涂饰、镀饰等同的处理工艺可获得不同的材料表面性质、肌理、色彩、光泽，使产品具有精堪的工艺美、技术美和强烈的时代感。设计中所采用的表面处理技术，一般可分为三类，如表所示。(1)表面被覆在原有材料表面堆积新物质的技术，依据被覆利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。①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，由于有优异的镀层，常常使制品的品位和档次得到提高。镀层被覆的金属有铜、镍、铬、铁，铝、、金、银、铂及其合金。镀层的颜色、色调和耐候性见下表。②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。图为表面采用多色涂饰的木结构椅子。涂装的目的有三方面：保护作用：防止制品表面受腐蚀、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，可获得能适应相当苛刻条件和使用环境的防护装饰涂层。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。涂料的组成决定了涂料的性能，也决定了各种涂料的使用范围和使用效果。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，如下表所示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，若涂装工艺实施不当，制件的涂层容易出现裂化、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。②珐琅被覆：公元前3世纪在埃及已有了在铜器表面的珐琅技术，此后作为工艺技术被继承下来，发展为称作景泰蓝的工艺美术品，很受人们器重。这种技术在工业制品上的应用则被祢为搪瓷。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。图为表面涂饰搪瓷涂层的灯具。铁、铜、铝、不锈钢以及金、银都可被覆珐琅。采用珐珀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(2)表面层改质改变原有材料的表面性质。可以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，如钢材的渗碳渗氢处理、铝的阳极氧化、玻璃的淬火等，也可以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。表面层改质处理的方法主要有化成处理和阳极氧化处理：①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。②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祢为阳极氧化，这种表面处理方法对铝及其合金制件广泛使用。(3)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、研磨、蚀刻、喷砂、抛光等方法。图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现代工业产品造型在取得合理的功能设计后，形态表面的色感、量感、质感的设计和配置，是吸引人、唤起购买者兴趣的重要方面。表面处理工艺的应用，不仅提高了产品质量，而且丰富了产品造型的艺术效果。材料表面处理工艺的选择原则有以下几个方面：(3)