设计材料与工艺

造型材料及加工工艺孔凡霞18653372858第1章概论1.1设计与材料材料在人类历史中具有里程碑的意义石器时代青铜时代--司母戊方鼎、永乐大钟铁器时代--各种农具钢铁时代--铝质头盔-高楼大厦--钢筋混凝土高分子材料时代复合材料时代、信息时代-信息高速公路司母戊方鼎（商）青铜，铸于商朝，司母戊鼎通高133厘米,横长110厘米,宽78厘米，重875公斤，纹饰华美1.1设计与材料永乐大钟（明）青铜，铸于1420年，为明成祖朱棣亲自设计。重46.5吨，铸有23万经文1.1设计与材料铁器（战国）。铸铁，各种农具1.1设计与材料丹麦国皇头盔（铝）1.1设计与材料纽约世贸大厦钢结构房屋框架、铝合金贴面1.1设计与材料远程教学：信息高速公路（光导纤维）信息高速公路的“路面”—光导纤维光导纤维：光在具有全内反射性能的玻璃纤维里进行传导现代通信1.1设计与材料1.1设计与材料人类的设计意识是与使用材料并生共存的，任何设计都需要通过材料来实现。以椅子为例：古希腊石椅明式家具1.2产品造型设计的物质基础产品设计三要素：材料、形态、功能材料：工艺：设计中对材料的认识：一方面，材料的发展与我们社会的进步有着紧密的联系，材料开拓了想象的空间，设计为材料提供了展示魅力的平台；另一方面，将材料看作是有生命力的对象，适度的运用会与设计作品相得益彰。1.3设计材料的分类1、按材料的来源分1.3设计材料的分类1、按材料的来源分第一代：天然材料第二代：加工材料第三代：合成材料第四代：复合材料第五代：智能材料1.3设计材料的分类2、按材料的物质结构分金属材料：黑色金属（铸铁、碳钢、合金钢等）、有色金属（铜、铝及合金）无机材料：石材、陶瓷、玻璃、石膏等有机材料：木材、皮革塑料、橡胶等复合材料：玻璃钢、碳纤维复合材料等工程材料1.3设计材料的分类3、按材料的形态分线材：面材：块材：1.4设计材料的基本特性1．4．1材料特性的评价固有特性：力学、热学、电磁特性、表面特征派生特性：加工特性、感觉特性、环境特性1.4设计材料的基本特性1．4．1材料特性的评价1．4．2材料的固有特性材料的固有特性是由材料本身的组成、结构决定的，是指材料在使用条件下表现出来的性能，他受外界条件的限制。1、材料的物理性质密度力学性能：强度、弹性和塑性、脆性和韧性、刚度、硬度、耐磨性热性能：导热性、耐热性、热胀性、耐燃性、耐火性电性能：导电性、电绝缘性磁性能：铁磁性材料、顺磁性材料、抗磁性材料光性能：反射、投射、折射2、材料的化学性能耐腐蚀性抗氧化性耐候性定义：材料在力的作用下，抵抗变形和破坏的能力。应力、应变刚度(弹性)屈服强度抗拉强度强度(strength)拉伸试样的颈缩现象弹性(elasticity)金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。随载荷撤除而消失的变形。弹性极限(elasticlimit):Fe弹性极限载荷(N)σe(Mpa)=S0试样原始横截面积(mm2)弹性变形(elasticdeformation):定义:试样在断裂前所能承受的最大应力。Fb试样断裂前的最大载荷(N)σb(Mpa)=S0试样原始横截面积(mm2)抗拉强度(tensilestrength)根据受力方向不同:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度抗剪强度、抗扭强度等。定义:指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。指标:断面收缩率(percentagereductioninarea):指试样拉断处横截面积S1的收缩量与原始横截面积S0之比。S0-S1ψ=×100%S0金属材料力学性能—塑性(plasticity)断后伸长率(延伸率)(specificelongation):指试样拉断后的标距伸长量L1与原始标距L0之比。L1–L0δ=×100%L0δ2--5%属脆性材科δ≈5--10%属韧性材料δ10%属塑性材料指标:金属材料力学性能—塑性硬度(hardness)定义：硬度是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。常用硬度试验方法：布氏硬度测试法洛氏硬度测试法维氏硬度测试法布氏硬度计布氏硬度试验原理用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。布氏硬度标注符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度特点优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。洛氏硬度HR(RockwillHardness)洛氏硬度试验原理用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。00112332洛氏硬度符号、试验条件和应用举例70~85HRA20~70HRC25~100HRB洛氏硬度标注HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：50HRC70HRA〤50HRB40HRC〤维氏硬度试验原理与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。维氏硬度试验原理用压痕两对角线的平均长度来计算。HV=F/Sa维氏硬度试验原理维氏硬度标注与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件—试验力和保持时间（10~15S不标）。例：580HV30表示用30kgf(294.2N)试验力保持10~15S测定的维氏硬度值为580。维氏硬度特点优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。韧性(Toughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。定义：冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图金属的夏比冲击试验试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)g疲劳现象：零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳强度（Fatigue）表示金属材料在无数次交变载荷作用而不破坏的最大应力。疲劳极限σ-1疲劳曲线钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108提高疲劳极限途径改善零件的结构形状降低表面粗糙度值采取表面强化疲劳极限σ-11943年美国T-2油轮发生断裂1.4.3材料的派生特性材料的加工特性、材料的感觉特性、材料的环境特性和材料的经济性。课程内容材料的工艺特性、材料的感觉特性、材料的环境特性金属材料的性能及加工技术：常用金属材料特性、分类、加工技术高分子材料的性能及加工技术：塑料、橡胶的性质、分类及其加工技术木材的性能及加工技术无机非金属材料的性能及加工技术：玻璃、陶瓷的分类及加工工艺复合材料的性能及加工技术：复合材料的性质、分类及成型加工技术发展中的新材料：纳米材料、绿色材料、智能材料、新能源材料材料的选择原则金属材料图1.2德国Chrion四轴数控加工中心图1.3和谐号动车组复合材料图1.4EVA橡木砧板图1.5新加坡可再生混凝土公共座椅高分子材料图1.7诺基亚蓝牙耳机图1.8爱普生投影仪图1.9法国研制的全塑料汽车陶瓷材料图1.10DNA+洁具图1.11kositalia洁具参考书目英）阿什化，约翰逊作者：赵占西出版：天津大学作者：江湘芸出版：北京理工大学