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-1-材料与工艺二OOO年八月第一章绪论第一节引子第二章金属材料与工艺第一节金属材料工艺（一）切削工艺1．锯削2．车削3．刨削4．磨削5．铣削6．钻削7．其它切削工艺（二）焊接工艺1．电焊2．氩弧焊3．气焊4．点焊（三）板金工艺1．折板工艺2．卷板工艺3．拉伸工艺（四）其它工艺第三节金属材料的常规规格1．板材2．型材3．管材4．有色金属第三章非金属材料与工艺第一节木材与工艺（一）木材的构造（二）木材的工艺1．锯2．刨3．铲、凿、砍4．钻5．粘合6．弯木第二节陶瓷与工艺（一）轮转法（二）注型法（三）圈土法（四）土片法第三节塑料与工艺（一）塑料的种类（二）塑料的工艺1．注射成型2．挤出成型3．压延成型4．压制成型5．差压成型-2-6．对模成型第四章材料的结构第一节机械固件连接1．螺丝固定连接2．螺栓固定连接3．铆钉固定连接4．榫铆固定连接第二节材料特性配合连接1．钩扣式连接2．按扣连接3．铰链连接第三节粘合连接第五章材料表面处理第一节机加工表面处理第二节模具加工表面处理第三节化学加工表面处理第四节喷涂加工表面处理-3-材料与工艺平国安王泓绪论一、材料与工艺发展简史产品是由多种材料、多种结构，通过多种工艺手段加工而成的，人类的生产过程就是将原材料转变成产品的过程。生产的目的不同，选择的原材料、加工方法和转变过程也不同。通常将改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程，称为工艺过程，或简称为工艺。图0-1司母毋大方鼎（青铜器）图0-2越王剑人类在同自然界的斗争中，不断改进用以制造工具的材料。最早被使用的材料是天然的石头和木材，随着技术的发展，逐步发现和使用金属。人类最早使用的金属材料是青铜。我国使用金属材料的历史悠久，在河南安阳殷墟留存的司母毋大方鼎（青铜器）铸成于约公元前1400年至公元前1000年的商朝（图0-1）。公元前五世纪，我国的制剑技术已经很高明。1965年在湖北省江陵县出土的春秋越王勾践的宝剑，仍然银光闪闪、寒气逼人，这说明当时的钢铁冶练、锻造和热处理技术已达很高水平（图0-2）。同时，我国也有着世界上最早的使用金属的文字记载。在成书于春秋末期（距今两千多年）的《考工记》中，就有关于青铜合金成分配比规律的阐述。明代宋应星编著的《天工开物》一书中，记载了冶铁、炼钢、铸钟、锻铁（熟铁）、焊接（锡焊和银焊）、淬火等技术，这是世界上最早的关于金属工艺的著作之一。但由于采矿和冶炼技术的限制，在相当长的历史时期内，很多器械仍采用木材或铁木混合结构。直到1856年英国人H.贝塞麦发明转炉炼钢法，1856年至1864年英国人K.W.西门子和法国人P.E.马丁发明平炉炼钢以后，钢铁才成为主要的工程材料。到20世纪30年代，铝、镁等轻金属逐步得到应用。二战以后，科技进步促进了新材料的发展，各种合金材料不断出现并形成系列。与此同时，人们对非金属材料的开发和使用也得到了很大的发展。特别是石油化工工业的发展，促进了合成材料的兴起，工程塑料、合成橡胶和胶粘剂等合成材料不仅品种日益增多，用途也越来越广泛，使用的比重逐步提高。此外，玻璃和特种陶瓷等硅酸盐材料的应用也逐步扩大。必须看到，人们对各种材料的使用和相应的工艺是密不可分的，这些工艺包括对各种金属和非金属材料的成形技术（如铸造、锻造、焊接、冲压、注塑以及热处理技术）、切削加工技术（包-4-括车削、铣削、磨削、钻削、成型切削等）、特种加工技术（包括电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工、电子束加工等）和装配技术（包括测量技术、调整技术、检验技术等）。随着科学技术的不断进步，人们能采用的工艺手段越来越丰富，制造的产品也越来越精致。二、本课程的地位及与工业（产品）设计的关系1、本课程是工业设计专业的重要的技术（专业）基础课。作为产品设计人员在设计产品的时候，必须了解材料和工艺的知识以及掌握相关的技术。一定的产品总是和一定的材料和工艺相关的，否则你的设计只能是纸上谈兵。为了让你的设计为更多的人接受，你还必须具有制作模型（小样）的能力，日语中把此称为“手办”。通过模型，你不仅可以发现、协调纸面设计中的问题，从而使设计更完善，还可以用生动的直观形象让更多的人（包括许多并不懂得专业技术的人）理解并接受你的设计。2、本课程也是区别于艺术类院校其他专业的重要标志工业设计专业要学习美术专业的许多基础课，如色彩、素描、构成等，也要掌握表现技法、电脑作图等许多视觉传达的基本技能，但并不等同于视觉传达。工业设计的侧重点在产品，围绕产品的设计我们不仅要解决视觉传达的问题，还必须解决诸如材料、制作工艺、功能和宜人（人机工程）等具体技术问题，这就要求我们必须掌握比单纯视觉传达要多得多的材料和工艺知识，非如此则不能解决上述问题。3、本课程也符合现代意义上的工业设计的要求现代意义上的工业设计，也不仅仅是画出效果图就算完事了。就产品设计而言，小到一个小工具、一个小家电，大到一辆汽车、一架飞机，都是工业设计的结果，很难设想一个不懂材料和工艺的设计师能很好地完成一件产品的设计。现代意义上的工业设计，要求设计师使自己在成为专才的同时，应努力成为一个“全才”。只有这样，才是一位符合时代潮流发展需要的设计师，也才能在瞬息万变的设计大潮中把握每一点设计灵感，设计出合乎潮流的产品。三、本课程的主要内容在科技飞速发展的今天，新材料、新工艺层出不穷、千变万化，令人目不暇接。为了便于大家在较短的时间内了解和掌握相关的知识，我们把课程内容分成四个阶段来讲。1、金属材料与工艺2、非金属材料与工艺3、材料的连接方式4、材料的表面处理第一章金属材料与工艺-5-第一节金属材料一、金属材料概述金属材料是由矿石、矿砂等，经过冶炼的过程而生产出来的。现以钢铁材料的生产为例，简要介绍一下其冶炼过程。1、炼铁：自然界的铁是以各种化合物的形式存在，把铁从它的化合物中还原出来的过程就是炼铁。炼铁的主要设备是高炉（参见图1-1-1），原料采用铁矿石（砂）、焦炭（燃料）和熔剂，其主要产品是生铁。2、炼钢：生铁中含有大量的碳和杂质，不能满足加工和使用的要求，炼钢就是通过再次冶炼，将这些杂质去除并降低碳的含量，使之成为可使用的钢材。炼钢的设备由转炉、平炉和电炉等。转炉冶炼必须采用液态生铁为原料，不能采用废钢铁作原料，平炉炼钢则可采用废钢铁为原料，一般钢铁材料可采用转炉或平炉进行冶炼。电炉采用电弧热为热源，冶炼温度高，易于精确控制成分，是合金钢和优质钢的主要冶炼设备。二、金属的力学性能1、材料的力学性能：人们在采用某种材料制造某一零件时，首先要考虑的是该零件会否因材料不能承受各种力的作用而损坏，这就涉及到这种材料的性能。由于这些性能都在材料受力后才表现出来，所以将这种性能叫做材料的力学性能。2、金属的力学性能及期判据：由于金属被使用的广泛性和形式的多样性，人们对金属材料的力学性能进行了深入的研究，发现金属在不同的受力场合会表现出不同的性能，如强度、塑性、硬度等等。这些性能从本质上来说，涉及到材料在力作用下的弹性和非弹性反应以及由此引起的变化。为了更好地把握这些性能，我们用一些指标衡量它，这些指标称为金属力学性能的判据。金属力学性能的判据是金属构件选材和设计的主要依据。这些判据也用来判别非金属材料的力学性能，因此具有普遍的意义。由于这些判据涉及到较多的理化知识，所以本教材只就主要性能及其意义作一简单的介绍。3、主要性能及其意义：1）强度：强度是指材料抵抗永久变形和断裂的能力。一般说来，强度高的材料比强度低的材料能承受更大的外力；弹性材料比脆性材料有更高的强度；相同材料受压时比受拉时能表现出更高的强度，这些结论已被实验和工程实践所证实。人们在选择某一材料时，首先考虑的是强度问题。2）塑性：塑性是指材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。一般说来，塑性好的材料，其变形能力也大；弹性材料都具有一定的塑性，脆性材料的塑性极小；常用的金属材料在加热到一定的温度后，其塑性会提高。塑性好的金属材料才能实现成形加工（指压延、拉伸等加工）。图1-1-1高炉-6-3）硬度：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是用专门的硬度计在材料的表面来测定的。一般说来，硬度高的材料，其表面更耐磨。4）冲击韧性：韧性是指金属断裂前吸收变形能量的能力，而冲击韧性是指在冲击力作用下断裂时吸收变形能量的能力。前述的强度、塑性和硬度，都是在静态试验力作用下的力学性能，而多数金属零件并不是在静力作用下工作的，所以，金属的冲击韧性在零件的安全方面有极大的意义。金属的冲击韧性与温度有关系，一般说来，随温度的降低，金属的冲击韧性也会降低。三、金属材料的分类1、通常人们将金属材料分成黑色金属和有色金属两大类。1）黑色金属就是人们通常用的铁、钢，因其材质中含有大量的碳（黑色），故得名。黑色金属是一种铁碳合金，由含碳量的多少，可分成工业纯铁、钢和所谓的白口铁（不是白铁皮），他们的性能各不相同。纯铁和白口铁一般不能直接使用，必须经过改造才能使用。作为铁碳合金的钢又称为碳钢，根据含碳量的多少，又可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。碳钢具有很好的力学性能，被人们广泛使用，我们日常使用的钢材一般都在这一范围中。特别要指出的是，人们将碳钢经过适当的加热、保温和冷却的处理（这种处理称为热处理），能够根据我们的需要来改造它的性能，这也是碳钢被广泛使用的原因之一。人们还发现，在碳钢中加入少量的某些元素（加入的元素主要有锰、硅、铬、镍、钼、钨等）后，会使原来的碳钢变得性能优异，这样的碳钢被称为合金钢。合金钢用来制造一些特殊用途的零件，如弹簧、轴承、切削刀具或耐热、耐磨零件等。我们常用的不锈钢也是一种合金钢。人们常说的铁或生铁（严格意义上的生铁是炼铁炉生产的产品，它主要用作炼钢的原料），实际上指的是铸铁一类的材料。铸铁可用将白口铁进行改造等方法获得。铸铁是一类受压性能极佳的结构材料，在机械工业中常被用来制造床身、机架一类零件的材料。黑色金属占人们使用的金属总量的95%，是人们使用最早、范围最广的一类金属。2）有色金属因其表面或断口具有金黄、银白、玫瑰红等色泽而得名，大部分的稀贵金属都是有色金属，如金、银等。有色金属的产量和用量远不及黑色金属，但由于其独特的性能，而成为现代工业技术中不可缺少的重要金属材料，用量最大的有色金属是铜和铝。铜具有良好的塑性，它的导电性和导热性仅次于银，加之在空气和水中具有良好的抗蚀性，所以被大量用来制作导线和各种电器元件。铝是一种轻金属材料，其比重只有铜的三分之一不到，熔点也只有铜的二分之一。所以在很多场合可用作铜的替代品，用以减轻产品的重量。纯铝的强度较低，工业中多用铝的合金。2、从金属材料的供应状态（形状）来看，我们可以把金属材料分成块材、板材、棒材（包括管材、型材）、线材等。块材可通过冶炼过程或锻炼过程得到，板材可通过压延过程得到，管材、线材则可通过轧制、挤出等过程得到。1）冶炼过程:见前述。2）锻炼过程:将某形状经过一定的加温，使原材料软化，然后经机械锻打形成块体。3）压延过程：将块体材料经辊轴连续压制使块体按一定的方向延伸，形成板材。4）轧制过程:也是将块体材料经定型轧辊连续轧制而成，压延和轧制又有冷轧和热轧之分。5）挤出过程:挤出是将块材通过加温，使其软化，然后置于一空腔内，用强大的压力，使其在一个模具中通过，形成一定形状的管材、线材。-7-第二节金属材料工艺在制作产品的时候还需要对材料进行进一步的加工，这一过程也就是工艺过程。由于金属材料的特点，对它的加工方式有多种多样，一般可分为热加工和冷加工两大类。（冷热加工的定义因为涉及到金属学的一些知识，在此不再赘述）一、热加工工艺热加工通常包括铸造、锻造、焊接和热处理。1、铸造：铸造是毛坯成型的主要工艺方法，俗称“翻砂”。一般分为砂型铸造和特种铸造，其中砂型铸造应用最为普遍，其工艺过程参见图。铸造具有可以生产形状复杂（特别是具有内腔）的零件、可使用各种合金进行铸造、加工余量小和生产成本低等许多优点，因此在生产中被广泛使用。图1-2-1铸造的工艺流程2、锻造：锻造是使用外力使金属坯料产生塑性变形，获得所需的尺寸、形状及