2023年《造型材料与工艺》期末复习指导

《造型材料与工艺》期末复习指导

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燃烧、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）

memorymetal-记忆合金

主要是银钛合金材料

利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①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

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

4①、按材料成份分类

有机材料：塑料、橡胶、有机纤维

②

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

①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p=m/V

P——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(AppaientDensity)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，按下式计算：p=m/VO

VO一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＞(：铁＞(：钢＞(：铅

⑴不同的物质有不同的比热，比热是物质的一种特性；

⑵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；

⑶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，在单位时间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=—

F

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(brittlenessandtoughness)

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(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：计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、钻、银

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

顺磁性材料一在外加磁场中，只是被微弱磁化，如镒、铭、钥

(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、钏接、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f选材f配材f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

(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、新工艺一产生新效果

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一提高适用性

(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一注意整体和谐一品位

(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、材料的抽象表达

材料特征一提炼、升华一具审美价值的意义一沿抽象表达的共同方向一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

2、材料的肌理美

'视觉肌理［自然肌理：突出材料的材质美

［触觉肌理［再造肌理：通过表面面布工艺形成

(1)同一肌理材料组合——组合协调(2)相似肌理的材料组合(3)对比肌理的材料组合

3、材料的光泽美

「透光材料

根据材料的受光特征分为定向反光

反光材料4

漫反光

4、材料的质地美

,2i,7主要由材料自身的组成、结构、物理化学特性来表现

人工质地

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、材料的形态美一一造型的基本要素

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

(-)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f确定性能指标f确定材料体系加工方法f材料成分设计和工艺参数优化f性能评价

f应用一产品失效分析

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

⑶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

的机能。

'颗粒增强复合材料

金属基复合材料纤维增强复合材料

按基体分类＜按添加物的几何形状分类4

高分子基复合材料叠层增强复合材料

弥散增强复合材料

(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

载荷下的机械性能：弹性、刚度、塑性、强度、硬度

E=—

rF0匕£

W=00%=x100%5=3x100%="、x100%

FFII

r0r0L。L。

P

O-=—s

rForFo

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、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。

②动载荷下的机械性能

%产（M加田）

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

ak-------冲击韧性（冲击值）

③交变载荷下的机械性能

ON—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

0-1—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IO®钢铁IO，

碳素钢。一产（0.4-0.55）Ob灰口铸铁。仔0.40b有色金属。一尸（0.3-0.4）

（2）金属材料的物理和化学性能

①物理性能

比重、导热性、导电性、热膨胀性、磁性

②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）

立方411示KES体。立方工融示心图

2、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+成长熔炼迪-铸锭->轧制

③金属的同素异构转变

1535°C1390℃9100C

液态纯铁<==>体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格

(a—Fe)(Fe)y—Fe(5—Fe)

(2)合金

①合金的基本概念

铜+锌一黄铜铝+铜+镁一硬铝铁+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

②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FesC-F+G

珠光体：铁素体+渗碳体(机械混合物)

3、钢的热处理

,退火

正火

普通热处理

淬火

(1)热处理原理.回火

表面淬火

热处理表面热处理

化学热处理

形变热处理

(2)钢的普通热处理

(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

乙快一氧或煤气——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900~950℃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500~560℃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。鼠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+NH3T加热至500~800°C-保温一段时间f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

矿石中铁氧化物的还原和渗碳

Fe2Os+CO―>Fe3O4+CC）2Fe3（）4+CO-FeO+CChFeO+CO-Fe+CChFeO+C—>Fe+CO2

②造渣和脱硫

FeS+CaO+C―>Fe+CO+CaS

炼钢的方法主要有三种转炉炼钢法平炉炼钢法电炉炼钢法

电炉炼钢一一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，加入铳铁、废钢、石灰石用燃料加热溶解，以氧气或氧化铁把铳铁中

的碳（C）和硅（Si）磷（P）等氧化去除，精炼完成加入硅铁、镭铁、铝去除钢液中的氧气、

氮气，炼钢时间较长。

轧钢一一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较高的强度和硬寸，但

冷变形抗力大，适用于轧制塑性好、尺寸小的线材、薄板。

按轧制时坯件与轧辐的相对位置分类

①纵轧：板、带、管、型材・・・・M<M>WI.冷直■■

②斜轧：变截面的金属材料•BUCMOieE•依

③横轧：车轮、轮箍、齿轮等环形工件•UM■I>■»

■一AIMO・*40nMM

（二）碳钢用复■■••用“”1*H

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、0、N、HRtt

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、镐：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0.08~0.25%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0.67.4%,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0.657.35%,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。

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I,平均含铭量为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。％

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

（-）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）一铝锭

（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铝锦合金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X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HXX表示含铜62%,其余为Zn的

特殊黄铜HPb59T表示59%Cu、l%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研的锡-磷青铜

特殊青铜

白铜

白铜BMn3T2,是含3%Ni及12%Mn的镐白铜

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&93g/cm3面心立方晶格结构：极好的可塑性和加工性能不宜直接用作结构材

料

（2）纯铜的种类和牌号

T1T2T3T4数字越大，纯度越低

＞一号铜（99.95%Cu）、二号铜（99.90%Cu）,三号铜（99.7%Cu）

＞除工业纯铜外，还有一类叫无氧铜，其含氧量极低，不大于0.003乐其代号有Tul,Tu2,“u”

是“无"汉语拼音字首。

＞纯铜退火状态，强度低，塑性好（。b=250〜270Mpa,5=35-45%）

＞经冷加工变形后强度升高，而塑性急剧降低（。b=400〜500Mpa,8=1-3%）不能用作受力的

结构材料

工业纯铜主要用导电、导热，兼有抗腐蚀性的器材，如电线、电缆、电器开关等，无氧铜主要作真空

器件

2、铜合金

（1）黄铜

以Zn为主要合金元素，用于机械零件、电器元件、生活用品

普通黄铜：Cu与Zn的二元合金

例H62ZH

特殊黄铜（复杂黄铜）一一黄铜+Al+FeSiMnPbSn（锡）等合金元素

例HSn62-l

普通黄铜，就是Cu-Zn二元合金

黄铜的室温组织有三种：含锌量在35%以下的黄铜，室温下的显微组织由单相的a固溶体组成，称为

a黄铜；含锌量在36%〜46%范围内的黄铜，室温下的显微组织由（a+B）两相组成，称为（a+B）

黄铜（两相黄铜）；含锌量超过46%〜50%的黄铜，室温下的显微组织仅由B相组成，称为B黄铜

单相黄铜：室温组织为单相a的黄铜又称单相黄铜，强度较低、塑性特别好，适于压力加工，常用代

号有H80、H70、H68,其中H70、H68强度较高，大量用作枪弹壳和炮弹筒，故有“弹壳黄铜”之称。

双相黄铜：a+B，黄铜又称双相黄铜，强度高，塑性差、常用H59、H62用作水管、油管、散热器等。

特殊黄铜

为了提高黄铜的耐蚀性、强度、硬度和切削性等，在铜-锌合金中加入少量（一般为遥〜2队少数达

3%〜4%,极个别的达5%〜6%）锡、铝、镒、铁、硅、银、铅等元素，构成三元、四元、甚至五元合金，

即为复杂黄铜，亦称特殊黄铜。

它们比普通黄铜具有更高的强度、硬度、抗腐蚀性能

（2）青铜：铜与锡（Sn）的合金

青铜是以Sn、Al、Si、Be、Ti等为主要合金元素的铜合金

现代工程把含铝、硅、钺、锦、铅等合金元素的铜基合金称为青铜

例QSn4-3

锡青铜的特性：含锡5~7%适于压力加工含锡＞10%塑性较差，适于铸造加工，称为铸造青铜

特殊青铜

例：铝青铜含铝5%~7%塑性最好适于冷加工

含铝10%强度最高

含铝＞12%塑性很差

例：镀青铜以镀为主加元素的铜合金工业用含钺量1.7~2.5%

（3）白铜

白铜是以Ni为主要合金元素的合金。Ni和Cu在固态下能完全互溶，所以各类铜银合金均为a单相固溶

体，具有很好的冷热加工性能，不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加工硬化来提高强度。

按用途可分为结构白铜和电工白铜。

白铜的用途

各类铜锲合金均为a单相固溶体，具有很好的冷热加工性能，不能进行热处理强化，只能用固溶强化

和加工硬化来提高强度。

白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中的关键材料。

（二）轴承合金

1、锡基轴承合金

要求在工作温度下有一定的承载能力和抗疲劳能力，有足够的塑性和韧性、较低的耐摩擦系数、良好

的导热性。

常用防轴承合金按其化学成分可以分为锡基、铅基、铝基、铜基和铁基等数种。

最常见的是锡基和铅基合金一一巴氏合金

ZCh+基本元素（锡或铅）的符号+主加元素的符号+主加元素的百分含量+辅加元素的百分含量

例：ZChSnSb11-6

用于高速、重载下工作的重要轴承，变载荷下易于疲劳，价贵

用高速重载的蒸汽透平机、透平发动机、功率大于750kw发动机、内燃机的轴承

2、铅基轴承合金

在铅锦合金的基础上添加锡和铜,用于中速轻载或静载

例:ZChPbSb16-16-2

ZCh---轴承合金Pb----基本元素铅Sb----主加元素睇16----主加元素睇16%

16——辅加元素锡16%2——辅加元素铜2%其余为基本元素Pb

3、铜基轴承合金

铅青铜、锡青铜一一重要的高速重载轴承

ZQPb30用于高速、重载轴承，能承受变载和冲击

ZQSn10-1用于中速、重载及受变载荷的轴承

用于不变载荷工作条件下的透平机、电动机、发动机离心泵、压缩机等机器的轴承

（三）粉末合金（陶瓷冶金）金属或非金属在模具中一压制或烧结成产品

适于制造：硬度和热硬性很高的硬质合金，减摩材料

优点：各成分彼此不熔合、比重、熔点相差很大都可制成均匀的合金

缺点：原料成本较高，压力大，对合金模具要求很高，不适合形状复杂零件

粉末冶金烧结炉

主要用于压制成型粉末冶金件在气氛保护下的烧结

采用推送式传送

连续作业式电阻炉，由电炉、液压系统、控制系统三部分组成。

(四)钛及钛合金

钛在地壳中的储量居第四位

纯钛是纯白色轻金属，具有耐蚀性和耐热性，有一定的强度和高的塑性,密度为4.507g/cm3,介于Al

和Fe之间，熔点1668℃,高于铁，在882.5℃发生同素异构转变，882.5C以上为B-Ti(体心立方晶

格)，882.5C以下为a-Ti(密排六方晶格)

钛合金的密度也较小，也有同素异构转变。

钛合金：以钛为基加入适量的格、镒、铁、机、铝和铝

'«：组织稳定，热强性热急定性好、发动机压气几叶片、飞机蒙皮

＜依强度较高，冲压性好不经时效可强化，打脆性好，热稳定性差

a+/3：塑性好，易于锻造，冲压成型，可时效强化火箭发动机外壳

五、金属材料成型与工艺性

(一)铸造加工及其工艺性

1、铸造的基本概念：熔化的金属溶液浇注到具有与零件形状相适应的铸型空腔中，待溶液凝固并冷

却后获得毛坯或零件的工艺过程称为铸造。

2、常用的铸造金属

铸铁：铁碳-硅为主的多元铁基合金

普通铸铁含碳2.S1T3%Mn0.4~1.5%P0.OTO.5%S0.02~0.2%

铸钢ZG45~35

铸铝：外观装饰效果最佳Al-SiAl-CuAl-MgAl-Zn

铸铜：通过表面处理后可仿制成各式各样的古代工艺品

3、铸造的特点适应性强成本低廉

4、铸造工艺种类

(1)砂型铸造

砂型铸造：用型砂制做铸型的铸造方法，是目前铸造使用的其本方法

A手工造型B机器造型：普通机器造型高压造型

(2)熔模铸造

又称“失蜡铸造”，它是在蜡模表面包以造型材料，从而获得无分型面的铸型的铸造方法。

与砂型铸造比较

熔模铸造有如下特点

①铸件的精度高且表面光洁

②能够铸造各种铸造合金铸件，尤其适用于那些高熔点及难切削加工合金的铸造。

③熔模铸件的形状可比较复杂，铸件上可铸出的最小孔径为0.5mm,铸件的最小壁厚为0.3mm

④铸件的重量不宜太大，一般不超过25Kg,目前生产的最大熔模铸件为80kg左右

(3)金属型铸造

将液态金属浇入金属铸型，从而获得铸件的铸造方法称为金属型铸造，由于金属型可以使用

多次，所以又称为永久型铸造。

(4)离心铸造

将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下填充铸型并凝固成型的铸造方

法称为离心铸造。

特点：工艺过程简单、机械性能较好、便于铸造“双金属”铸件

(5)压力铸造

在高压(5-150MPa)下，将液态合金高速(50T00m/s)压入高精度的型腔内，并在压力下，迅速凝

固而获得铸件的方法。

5、铸造方法的选择考虑生产批量铸造合金的种类

铸件的重量、形状、尺寸精度及表面粗糙度要求等铸件本身的因素考虑

还要与后续加工的成本及生产现场条件等同素一起综合考虑

6、铸件结构工艺性比较

7、砂型铸件结构设计注意要点

（1）力求使铸件的外形简单，轮廓平直，造型时只需一个分型面

（2）力求使型芯数目最少，装配、清理方便，排气容易

（3）结构斜度：便于脱摸

（4）铸件应有合理的壁厚、壁厚尽量均匀

（5）应尽量避免铸件中有过大的水平面

（二）压力加工及其工艺性

1、压力加工的概念及方法

（1）压力加工的概念

在外力作用下，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯

或零件的加工方法

（2）压力加工方法及设备

①轧制②挤压③拉拔④自由锻

自由锻是将加热好的金属坯料放在锻造设备的上、下砥铁之间，施加冲击力或压力，直接使坯料产生

塑性变形，从而获得所需锻件的一种加工方法。

自由锻由于锻件形状简单、操作灵活，适用于单件、小批量及重型锻件的生产。自由锻分手工自由锻

和机器自由锻。手工自由锻生产效率低，劳动强度大，仅用于修配或简单、小型、小批锻件的生产，

在现代工业生产中，机器自由锻已成为锻造生产的主要方法，在重型机械制造中，它具有特别重要的

作用。

⑤模锻——模型锻造

将加热后的坯料放置在固定于模锻设备上的锻模内锻造成形的。

模锻可以在多种设备上进行。在工业生产中，锤上模锻大都采用蒸汽-空气锤，吨位在5KN~300KN

（0.5~30t）。压力机上的模锻常用热模锻压力机，吨位在25000KN~63000KN。

模锻的锻模结构有单模堂锻模和多模膛锻模。如图所示为单模堂锻模，它用燕尾槽和斜楔配合使

锻模固定，防止脱出和左右移动；用键和键槽的配合使锻模定位准确，并防止前后移动。单模膛一般

为终锻模膛，锻造时常需空气锤制坯，再经终锻模膛的多次锤击一次成形，最后取出锻件切除飞边。

模锻的生产率和锻件精度比自由锻造高，可锻造形状较复杂的锻件，但要有专用设备，且模具制造

成本高，只适用于大批量生产。

⑥板料冲压

工序种类：

分离工序：剪裁、冲孔、落料、修边

变形工序：弯曲、压延、翻边、胀形

复合：以上两类工序集中于同一模具中完成

其它工序：备料、修饰、辅助工序等

板料冲压选择设备的基本原则

零件的生产类型

零件的几何尺寸大小及结构形式

零件的材料性能及精度要求

2、冲压材料

（1）冲压性能

压弯、拉延、成型、翻边一一要求较低的屈服极限0s

分离工序一一希望稍高，以获得良好的剪截面

好的冲压性能要求：

6延伸率240%硬度W45HRB。‘/。B（屈强比）W0.65

顶压深度符合规定的范围铁素体晶粒度6~7级

（2）化学成分的影响

C、Si、Mn、P、S含量增加会使材料的塑性降低，脆性增加导致材料冲压性能变坏。

含碳量在0.05限0.15%的低碳钢有较好的拉延性能。

(3)金相组织

晶粒大小均匀一一拉延性能好晶粒大小不均一裂纹

深拉延用冷轧薄板晶粒度6~8级晶粒过大一粗糙表面(桔皮)

深拉延用冷轧中板晶粒度5~7级晶粒过小一塑性降低，易冷作硬化

钢板轧制成后残留的带状组织，炼钢时残留在铁素体晶粒之间的游离碳化物与非金属夹杂物对冲压时

的塑性变形不利

(4)厚度公差、表面质量

材料的厚薄的影响厚度不稳定的影响

(5)表面质量

表面气泡、裂纹、结疤、缩孔、分层等缺陷在冲压变形中可能扩大裂痕、应力集中、断裂

表面粗糙的板在拉延、压弯、成型中会使冲模与钢板摩擦力增加，降低冲模寿命

2、选择材料的原则

(1)考虑产品设计与冲压工艺的关系(2)提高效率

(3)保证工艺的前提，以廉价材料代替贵重材料，以薄料代用厚料，以黑色金属代替有色金属

(4)考虑板材的尺寸规格标准，注意排样，防止浪费

底量避免圆锥体和斜

面的设计

圆柱与阴柱相贯锻造

鼾困难，应改成平面与

圆柱交接

尽量减少加强筋与表

面的凸台

复杂形状采用组合式

结构

4、压力加工工艺性

(1)自由锻件的结构工艺性

(2)模锻件的结构工艺性

锻件要有一个分模面加工面上应留有机械加工余量

非加工面及与锤击方向平行的面应设计模锻斜度，转角要圆角过渡

尽量简单、避免凹凸、薄壁等结构尽量避免深孔或多孔结构复杂件采用先锻后焊的方法

(3)冲压件的结构工艺性

落料冲孔零件

落料的外形尽量简单对称、有规则，排样时尽量将废料降低到最少

冲孔时，孔径、孔距不得小于材料厚度；零件外缘凸起或凹进的尺寸不得小于厚度的1.5倍

轮廓的转角要有圆角半径

弯曲零件弯曲半径不能小于材料许可的最小弯曲半径平直部分H>2t

孔的位置离边缘距离L>(1.5~2)t

拉深零件

拉深件高度不宜过大，凸缘不宜过宽，底部转角应有圆角过渡

（三）金属焊接技术及其工艺性

1、金属的焊接方法

采用焊接工艺的优点采用焊接工艺与钾接相比

可以节省金属材料、节省制造工时

接头密封性好对，某些结构可以采用铸焊或锻焊联合结构，取代整铸或整锻结构,从而做到以小拼大,

以简拼繁

它不仅节省金属材料，还简化了坯料准备工艺，从而降低了制造成本，便于制造双金属结构

2、金属材料的焊接性

（1）概念

工艺焊接性使用焊接性

在不需要采用复杂工艺措施的条件下，能获得优质焊接接头一一焊接性好

（2）影响焊接性的主要因素

金属材料的化学成分

焊接工艺方法：气焊工艺一亚弧焊一等离于焊、电子束焊、激光焊

M+Cu

（3）估算钢材焊接性的碳当量法。当=C+等+0+；"+酎4-------

15

3、焊接结构工艺性

（1）焊缝的可焊到性（2）焊缝布置

3、焊接结构工艺性

改善焊接劳动条件注意节省材料尽量避免仰焊焊缝

（四）机械加工零件的结构工艺性

1、金属机械加工的种类

①钳工基本的加工方法有划线、饕切、锯割、锂削、钻孔、攻丝、套扣和刮研等。

②机械加工

通过人操纵机床对工件进行切削加工的的主要方法是车、钻、铳、包U、磨和齿轮加工等。是

作为零获得零件更高的精度和更高的光洁表面的最终手段。

2、金属切削机床的分类

（1）按加工性质和刀具进行分类

车床、铳床、钻床、像床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、刨插床、拉床、切断机床

超、声波及电加工机床和其他机床

（2）按照它们的万能程度分类

通用机床（万能机床）：普通车床、卧式镇床

专门化机床（专能机床）：精密丝杆车床、凸轮轴车床专用机床：机床主轴箱专用镶床

六、金属表面处理与装饰技术

转化膜——氧化膜

化学氧化膜

电化学转化膜铝酸盐膜

转化膜层

磷酸盐膜

.化学转化膜

1、金属材料的表面处理

（1）铝及铝合金的氧化与着色处理

＞电化学氧化：在酸性电解液里

多孔性氧化膜——防护、装饰

＞化学氧化：碱溶液和含碱金属的盐溶液Al（0H）3

＞氧化膜的着色：化学染色法、整体着色法、电解着色、干涉着色法

基材通过电化学作用，获得银白色的人工氧化膜，常称阳极氧化材；由于氧化膜是一种以针孔为中心

的两层六棱体蜂窝状结构组成的，对针孔进行“封闭”处理，即成为商品“阳极氧化材”。

在“阳极氧化”处理之前，为消除铝加工过程的挤压痕迹，常进行机械（“磨砂处理或“抛丸”处理）、

化学（酸蚀、碱蚀）处理两种方式，消除痕迹；之后还可以再进行机械抛光、化学抛光.等以适应不

同场合的需求。

常见商品有“喷砂铝型材”、“氧化抛光铝型材”等。

经过喷砂处理的铝型材，其疲劳寿命显著延长，产生应力腐蚀开裂的危险性大为下降。

⑵钢铁的氧化与磷化处理磷酸盐化学处理磷酸盐膜高电阻膜层

（3）铜及铜合金的氧化处理

①过硫酸盐碱性溶液氧化法

过硫酸甲碱溶液：NaOH+K2s2。8-60〜65°C浸煮5min—形成黑色氧化膜

②铜氮溶液化学乳化法：

适合含铜量为52%~68%的制件，氧化膜为蓝黑色，质量比过硫酸盐溶液氧化的差，可再涂清漆

③古铜色化学氧化铜镀层:制件镀铜后，在硫酸溶液中活化，再用过硫酸盐溶液氧化的方法氧化，可

再机械抛光或滚光后再浸涂清漆。

④碱性溶液电化学氧化法：以铜制件为阳极，置入氢氧化钠热溶液中，钢或镀锲钢板为阴极，通直

流电，形成黑色氧化膜。

2.镀层装饰技术

3.涂层装饰技术

在制品表面形成以有机物为主体的涂层，并干燥成膜的工艺，称为涂装技术

①保护作用：防止制品表面受腐蚀、被划伤、脏污，提高制品的耐久性。

②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，使制品外观在视觉感受上

成为美观悦目的制品0

③特藐作用：使制品具有隔热、绝缘、耐水、耐辐射、阻尼、杀菌、吸收雷达波、隔音、导

电等特殊功能。

涂装工艺一般包括制件表面涂装前处理、徐敷涂料及涂层干燥三大步骤

4.搪镜被覆技术

5.表面精整加工

将金属材料的表面加工成平滑、光亮美观或具有凹凸换样的表面状态的过程称为表面精整加工。

表面精整加工除直接具有装饰效果外，作为电镀和涂装的前处理也是重要的

切削与研削加工

研磨

机械研磨电解研磨化学研磨

蚀刻

利用化学药品的作用使被加工金属表面的持定部位浸蚀溶解而形成凹凸模样

将整个金属表面用耐药品浸蚀的膜（称隔离膜式掩蔽膜）覆盖f把表面上要求凹下去的部位的膜用机

械的或化学的方法除去一用药水使裸露部分的金属溶解而形成凹部例：铜版画、照相制版法

5.其它表面装饰方法

层压塑料薄膜热浸涂层：热浸作为一种涂覆方法只适用于低熔点金属暂时性防护涂层

防锈油防锈纸可剥性塑料等一些非金属材料

第三章塑料及其工艺性

第一节塑料基本知识

一塑料的概念

（-）树脂和塑料的概念

树脂

天然树脂

（i）种类：松香，虫胶，沥青等（H）特点：无明显的熔点；可溶

人造树脂：人工合成

塑料

化学方法合成主要成分一一树脂+加入添加剂

（-）高分子和低分子的区别

❖分子中所含的原子数分子量分子长度

分子结构:从低分子化合物到高分子化合物的转变——聚合

（三）塑料的特征和用途

1.重量轻2.优越的化学稳定性3.优良的电绝缘性能4.比强度高

5.优良的耐磨性、自滑润性和吸震性6.粘结能力强7.着色范围广8.卓越的成型性能

二、塑料的成分

树脂+助剂

树脂

在塑料中起决定作用

1.是塑料中主要的必不可少的成分2.赋予塑料的可塑性和流动性

3.将塑料的其它成分粘和在一起4.决定塑料的性能和主要性能，如物理，化学，机械与电性能

助剂（添加剂）为了使复合物（塑料）或其制品具有某种特性而加入的一些物质

1.填充剂2.增强剂3.增塑剂4.稳定剂5.着色剂6.润滑剂7.防静电剂&阻燃剂

9.驱避剂10.其它助剂

（1）增塑剂

作用：提高树脂的可塑性，柔韧性、弹性及其它的性能

①加入增强剂后，树脂分子之间距离变大

②削弱了分子间的吸引力

③分子容易滑移，从而在较低的成型温度下具有良好的可塑性和柔韧性

对增塑性的要求

①与树脂的相溶性好

②挥发性低：减少外逸、游离、萃取和渗出

③对热和化学试剂的温度性好，耐光，耐热，耐化学试剂

④毒性：污染小、无毒，无臭，不燃，吸湿性小

（2）稳定剂

⑴作用：防止或抑制聚合物受外界因素（光、热、细菌、霉菌以致简单的长期存放等）所引起的破坏

作用。

⑵稳定剂种类

①光稳定剂：包括紫外线吸收剂和光屏蔽剂（光能转移剂）

作用：抑制和防止树脂受到紫外线或光的照射而发生光化降解，使其性能变化：外表开裂，

起霜，变色，退光起泡以至完全粉化。

②热稳定剂：抑制树脂在加工过程中受热的作用而降解，以提高塑件的使用寿命。例：PVCHCLf

（大量生产）一树脂分子结构破坏

③抗氧剂

许多树脂在正常或较高温度下（贮存、使用过程或制造加工中）受到氧化作用生产降解，使

塑料性能恶化。

作用：加入抗氧剂可以延缓或抑制氧化工程

④转变降解催化剂的物质：通过加入适量的此类螯合剂，可以消除在制造工程中残存于树脂中的重金

属离子等降解催化剂。

（3）填充剂

目的：改善塑料的性能，以便扩大塑料的使用范围，降低成本

填充剂的要求：

一般为粉末状的物质，加入在塑料组成的40%以下。

但是近年来发展起来的高填充低发泡制品，其填充剂的加入量可能超过40%的范围。

（4）增强剂：提高机械性能

目的：加入聚合物中，使其机械性能得到增强提高的纤维状或层状材料（如有的将其称为填料）

纤维状材料：棉花，亚麻，石棉纤维，玻璃纤维等

层状填料：纸张，棉布，麻布，玻璃布，木片等

（5）着色剂|

给予塑料以色彩或特殊光学性能的材料

作用：使制品鲜艳,美观；改变塑料的耐候性能、提高抗御紫外线的能力。

例：本色聚甲醛（POM）表面粉化、龟裂、机械性能下降

用碳黑着色可防止光老化

又例：要使塑料具有特殊的光学性能，可在塑料中加入珠光料，磷光色料合荧光料或金属絮片等。

（6）润滑剂

作用：改善塑料熔体的流动性，减小或避免对于设备合模具的磨损和粘附，以及提高塑件表面光洁度。

在模具与坯料之间形成一层薄膜，可使加工出的塑件表面光亮美观。

（7）防静电剂

在塑料中加入少量防