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材料与工艺总结精简第一章概论第一节“设计材料工艺学”课程综述第二节设计材料工艺的分类一、设计材料分类（一）、历史分类法岛村昭治1代：木片、石器、骨器等天然材料2代：陶、青铜和铁等3代：高分子材料4代：复合材料5代：智能型材料（补强型、降解性）（二）、物质结构分类（三）、材料加工度分类法1、天然材料天然存在有机材料、天然存在无机材料2、加工材料：3、人造材料：(1)、以天然材料为基础所制造的人造材料。(2)、利用化学反应制成的在自然界不存在或几乎不存在的材料。（四）、材料形态分类法1.颗粒材料2.线状材料3.面状材料4.块状材料二、设计材料的工艺分类材料工艺分为：材料的成型加工工艺、材料的表面处理工艺（一）、材料的成型加工工艺成型：一次加工：熔融状态下的一次加工加工：二次加工：冷却后车、钳、铣、刨、削等的二次加工（二）、材料的表面处理工艺表面处理的目的：1.保护产品，即保护材料本身赋予产品表面的光泽、色彩、肌理等呈现出的外观美，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。2.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、势性能、电能）、化学性能（防腐蚀、防污涂，延长使用寿命）、生物学性能（防虫、防腐、防霉），使产品表面有更好地感觉特性。1、表面被覆在原有材料表面堆积新物质的技术。依据被覆材料和被覆处理方式的不同，表面被覆处理有：（1）镀层被覆（2）涂层被覆（3）搪瓷和景泰蓝2、表面层改质：改变原有材料的表面性质3、表面精加工：方法：切削、研磨、蚀刻、喷砂、抛光。第三节设计材料的感觉特性一、材料的质感质感是物体表面由于内因和外因而形成的结构特征，通过触觉和视觉所产生的综合印象，作为工业设计的三大感觉要素（形态感、色彩感和材质感）之一的质感，体现的是物体构成材料和构成形式而产生的表面特征。质感两个基本属性：1.生理属性：按人的生理和心理感觉，质感可分为触觉质感和视觉质感。2.物理属性：按材料的物理和化学特性，分为自然质感和人为质感。（一）质感的生理属性1.触觉质感：（1）触觉的生理构成（2）触觉的心理构成（3）触觉的物理构成2.视觉质感：视觉质感是触觉质感的综合和补充。视觉质感具有间接性、经验性、知觉性、遥测性和相对的不真实性。（二）质感的物理属性1.自然质感2.人为质感（1）同材异质感（2）异材同质感二、质感设计的形式美法则（一）调和法则（二）对比法则（三）主从律（四）适合律三、质感设计的作用（一）提高适应性（二）增加装饰性与多样性（三）获得经济性和高附加值第二章设计选材的适应性系统第一节设计选材的适应性一、设计选材的复杂化二、设计选材的适应性要求柳冠中《事理学论纲》：“设计是以一定的目的，一定的方式来达到与客观条件和内部关系相适应的应用原则由系统的内部因素、外部因素和系统目的三个要素构成。”设计的适应性系统的成功与否，取决于系统内部、外部因素之间相适应的程度。在设计选材过程中，需要考察的因素包括如下两部分：1、内部因素（一）、材料的物理性能（二）、材料的化学性能（三）、材料的机械性能（四）、材料的尺寸性能（五）、材料的加工性能2.外部因素（一）、功能需求（二）、安全性（三）、外观需求（四）、市场与经济因素（可达性、成本、产品寿命、社会流行趋势）（五）、与材料相关的政策法规（六）、环境因素两个角度描述设计选材中需要考虑的环境因素：（1）从材料影响环境的角度来讲，需要考虑材料在生产、使用以及废弃的整个生命周期中对环境的影响，在具体的设计中可以减少表面装饰、选用同类材料、采用可降解材料、废弃物的再利用等方面来考虑。（2）从环境影响材料的角度来讲，包括以下8点：1、冲击与振动2、温度与湿度3、人为破坏4、火灾危害5、生物危害6、污损7、气候影响8、噪声”适应”是设计活动的起点，“适度”是评价标准，也是设计活动的过程，“适合“是目标，是设计活动完成终止的状态。设计选材的目的并不是寻找”最优解“，而是“适合解”。衡量设计选材的标准不是对与错，而是相对的适合与不适合。根据设计选材的“适应性原则”，可以拟定以下程序：第一步：针对特定产品，研究系统中材料工艺之外的需求与限定：1、产品的功能需求2、安全性需求3、外观需求4、市场与经济因素（材料可达性、材料与工艺总成本、社会流行趋势等）5、与材料相关的政策法规6、环境因素第二步：针对特定产品，综合分析外部因素中的主要因素和次要因素。第三步：根据主要因素选择系统内部因素（材料的物理性能、机械性能、化学性能、尺寸性能以及加工性能）。第四步：根据次要因素选择系统内部因素（材料的物理性能、机械性能、化学性能、尺寸性能以及加工性能）。第五步：根据内部因素确定一系列符合要求的材料，通过制作模型，以内部因素与外部因素相适应的程度为标准，对这些材料行评估比较，选出其中相对而言更合适的材料。第六步：如果有必要，重复上面的第三、四、五步。第三章金属材料与工艺第一节金属材料概述一、金属材料应用的发展历史及现状当代金属材料具有以下特点：二、产品设计与金属材料三、金属材料的分类金属材料包括金属和以金属为主的合金。工业上常把全部金属及其合金成分分为三大部分：（一）：黑色金属铁和以铁为基础的合金（钢、铸铁和铁合金），黑色金属应用最广（二）：有色金属，即除黑色金属以外的所有金属及其合金（三）：特种金属材料（非晶态金属、高强高模铝锂合金、形状记忆合金、减震合金、超塑金属、储氢合金、超导合金等）第二节金属材料的性能金属材料是指由金属元素或以金属元素为主要组成部分并具有金属特性的材料。一、金属的特性金属的特性表现在一下几方面：1.具有良好的导电和导热性能；2.表面具有金属所特有的色彩与光泽；3.具有良好的延展性，易于加工成型；4.可以制成金属间化合物，可以与其他金属或非金属在熔融态下形成合金，以改善金属的性能；5.除少数贵重金属外，几乎所有金属的化学性能都较为活泼，易于氧化而生锈，产生腐蚀；6.表面工艺性能优良，可以进行各种装饰工艺已获得理想的表面质感。二、金属材料的机械性能金属材料的机械性能主要是指力学性能，即其受外力作用时所反映出来的性能。（一）强度（二）塑性（三）硬度（四）冲击韧性（五）疲劳强度（六）弹性变形三、金属材料的加工性能（一）铸造性（二）锻造性（三）焊接性（四）切削加工性第三节设计中常用的金属材料一、产品设计中常用的黑色金属黑色金属主要是指钢铁、锰、铬及它们的合金。在产品设计中，黑色金属的应用广泛，尤其是钢铁材料。通常，钢铁材料按其含碳量的不同分为纯铁、铸铁和钢三大类。（一）纯铁（二）铸铁：1、灰口铸铁2、可锻铸铁3、白口铸铁4、球墨铸铁5、蠕墨铸铁（三）钢：（1）碳素钢：1、普通碳素钢2、碳素结构钢（一般结构用压延钢材、机械结构零件用碳素钢、钢（铁）板、钢（铁）丝、铸钢）3、碳素工具钢（2）合金钢1、合金结构钢（低合金高强度钢、强韧钢）2、合金工具钢3、高速工具钢4、特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、易切削钢、弹簧钢、轴承钢、量具钢）不锈钢分为马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢，70年代出现彩色不锈钢。二、产品设计中常用的有色金属（一）铝及铝合金1.纯铝2.铝合金（1）变形铝合金（防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金）（2）铸造铝合金3.铝及铝合金的应用（二）铜及铜合金1.纯铜2.铜合金（1）黄铜（普通黄铜、特殊黄铜）（2）青铜（锡青铜、铝青铜、铍青铜）（3）其他铜合金（钱币合金、白铜）3.铜及铜合金的应用（三）镁及镁合金1.镁2.镁合金镁合金的7个特点P573.铜及铜合金的应用（四）其他合金金属1.钛及钛合金纯钛、钛合金（α钛合金、β钛合金、（α+β）钛合金）、钛及钛合金的应用2.锌及锌合金3.轴承合金（5点性能）4.锡合金（锡基轴承合金、锡焊料、锡合金涂层）5.低熔点合金6.粉末合金第四节金属成型加工工艺一、铸造成型三个阶段：铸型准备、铸造金属的熔化与浇注、铸件处理和检验1.普通砂型铸造（湿砂型和干砂型、化学硬化砂型）2.特种铸造（熔模铸造、壳型铸造、实型铸造、陶瓷型铸造、金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造）3.铸造新工艺（快速凝固、定向凝固、复合凝固、镶铸工艺）二、塑性成型三、金属半固态成型四、快速成型第五节金属切削和连接加工工艺一、金属切削加工工艺二、金属连接加工工艺第六节金属材料的表面处理工艺一、金属材料的表面改性处理（一）金属材料的热处理1.整体热处理2.表面热处理3.化学热处理（二）其他表面改性方法1.喷丸强化2.等离子扩散处理3.激光表面处理4.电子束表面处理5.高密度太阳能表面处理6.离子注入表面改性二、金属材料的表面装饰技术（一）表面着色工艺1.化学着色2.阳极氧化着色3.电解着色4.镀覆着色5.涂覆着色6.珐琅着色7.热处理着色8.传统着色（二）金属表面肌理工艺1.表面锻打2.表面镶嵌3.表面蚀刻4.表面切削和研磨抛光加工5.表面拉丝（直纹拉丝、乱纹拉丝、波纹拉丝、旋纹拉丝又称旋光、螺纹拉丝）第七节设计中金属材料与工艺的选择及其应用实例Vertu手机、叶鞘LED台灯、皇后国王系列首饰、麦兰多利纳折椅、柯尼卡美能达数码相机α-7、苹果G5电脑、弹性回火钢椅（需要了解选择工艺及理由）第四章无机非金属材料与工艺第一节设计中常用的金属材料一、陶瓷发展的历史与现状瓷器的前身是原始青瓷东汉时期中国出现了真正的瓷器，制瓷技术由南方传入北方陶瓷分为陶和瓷两大类。通常把胎体没有致密烧结的粘土和瓷石制品（不论是有色的还是白色的），统称为陶器。其中把烧结温度较高、烧结程度较好的那一部分称为“硬陶”，把施釉的一种称为“釉陶”。相对来说，经过高温烧成、胎体烧结程度较为致密、釉色品质优良的粘土或瓷石制品称为“瓷器”。二、陶瓷的组成与分类陶瓷是以天然矿物质和人工制成的化合物为原料，按一定配比称量配料，经混合磨细、成型、烧结制成，其化学组成是由金属元素和非金属元素构成的简单化合物或复杂的多相固体混合物。陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两种。两者的主要区别表现在：原料、成分、制备工艺、性能。P102（一）普通陶瓷普通陶瓷又称传统陶瓷，是用天然硅酸盐矿物，如黏土、长石、石英、高岭土等原料烧结而成的。1.按所用的原料、烧成温度及制品性质分类：陶器、炻器、瓷器2.按不同用途分类：日用陶瓷、建筑陶瓷、绝缘陶瓷、多孔陶瓷、化工陶瓷等陶器同瓷器的主要区别：1.作胎原料不同2.釉的种类3.胎色4.总气孔率5.烧结温度6.吸水率（二）特种陶瓷特种陶瓷又称现代陶瓷，是采用高度精选的能够精确控制化学组成的原料，按照便于控制的制造技术加工，利于进行结构设计，且具有优异特性的陶瓷。1.按应用不同分类：功能陶瓷、工程陶瓷2.按化学组成分类：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、复合瓷、金属陶瓷、纤维增强陶瓷特种陶瓷按化学成分不同可分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷；按其应用的不同又可以分为结构陶瓷和功能陶瓷。三、陶瓷的基本特性（一）陶瓷的机械性能1.刚度2.硬度3.强度4.塑性5.韧性或脆性（二）陶瓷的热性能1.热膨胀2.导热性3.热稳定性（三）陶瓷的其他性能1.导电性2.化学稳定性第二节设计中常用的陶瓷材料一、普通陶瓷普通陶瓷产品种类很多，在日用器皿、建筑陶瓷、美术陶瓷、卫生洁具陶瓷餐具陶瓷、各种工艺品和工业用具中应用广泛。（一）日用器皿（二）建筑陶瓷（三）卫生陶瓷及卫浴产品（四）美术陶瓷（五）园林陶瓷（六）烹饪陶瓷二、特种陶瓷（一）按化学成分分类1.氧化物陶瓷2.非氧化物陶瓷（二）按其应用分类1.功能陶瓷功能陶瓷是指具有一定特殊声、光、电、磁、热等物理化学性能的多晶无机固体材料。设计中常用的陶瓷材料：(1)电光陶瓷(2)生物陶瓷(3)磁性陶瓷(4)压电陶瓷(5)半导体陶瓷正温度系数热敏电阻材料（PTC）、负温度系数电阻器材料（NTC）、湿敏陶瓷、电压敏感陶瓷2.结构陶瓷结构陶瓷是发挥其机械、热、化学等性能的新型陶瓷材料。(1)氧化物陶瓷①氧化铝陶瓷②氧化锆陶瓷(2)氮化物陶瓷①氮化硅②氮化硼(3)碳化物陶瓷：碳化物陶瓷