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工业设计系史敬培材料与加工工艺造型材料与加工工艺目录第一章概论第二章设计材料的分类及特性第三章材料感觉特性的应用第四章材料与环境第五章产品设计中材料的选择与开发第六章金属及加工工艺第七章塑料及加工工艺第八章木材及加工工艺第九章玻璃及加工工艺第十章陶瓷及加工工艺造型材料与加工工艺概论第一章概论1.1设计与材料1.2产品造型设计的物质基础1.3材料设计造型材料与加工工艺概论1.1设计与材料一产品造型设计的过程实质上是对材料的理解和认识的过程，是“造物”与“创新”的过程，是应用的过程。设计与材料之间存在着相辅相成、相互影响、相互促进和相互制约的关系。造型材料与加工工艺概论二材料的不同，必然带来设计的不同，新的材料会产生新的设计，产生新的造型形式，给人们带来新的感受。造型材料与加工工艺概论造型材料与加工工艺概论1.2产品造型设计的物质基础一、产品是由一定的材料经过一定的加工工艺而构成的。一件完美的产品必须是功能、形态和材料三要素的和谐统一。造型材料与加工工艺概论二、在产品造型设计中，材料是用以构成产品造型且不依赖于人的意识而客观存在的物质。造型材料与加工工艺概论三、工艺是指材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺，是人们认识、利用和改造材料并实现产品造型的技术手段。四、材料与工艺是设计的物质技术条件，是产品设计的前提。造型材料与加工工艺概论1.3材料设计1.3.1材料设计的开展1.3.2材料设计的内容1.3.3材料设计的方式1.3.4材料与产品的匹配关系造型材料与加工工艺概论1.3.1材料设计的开展19世纪以前：改变材料的色彩或将不同的材料组合起来是设计的主要任务；造型材料与加工工艺概论20世纪初：开始以塑料代替天然材料，但从本质上讲仍未摆脱“替代设计”的阴影；20世纪70年代以来：设计开始面临确切表达和利用材料个性的问题；近年来：出现了“材料设计”的理念，确定了材料运用已成为设计活动中一个不可忽视的部分。造型材料与加工工艺概论1.3.2材料设计的内容是以包括“物—人—环境”的材料系统为对象，将材料的性能、使用、选择、制造、开发、废弃处理和环境保护看成一个整体，着重研究材料特性与人、社会、环境的协调关系，对材料的工学性、社会性、经济性、历史性、生理性、心理性和环境性等问题进行平衡和把握，积极评价各种材料在设计中的使用和审美价值，使材料特性与产品的物理功能和心理功能达到高度的和谐统一，使材料具有开发新产品和新功能的可行性，并从各种材料的质感中去获得最完美的结合和表现，给人以自然、丰富、亲切的视觉和触觉的综合感受。产品造型中的材料设计：造型材料与加工工艺概论造型材料与加工工艺概论1.3.3材料设计的方式产品造型中的材料设计，其出发点在于原材料所具有的特性与产品所需性能之间的充分比较，其主要方式有两种：一：从产品的功能、用途出发，思考如何选择或研制相应的材料。二：从原材料出发，思考如何发挥材料的特性，开拓产品的新功能，甚至创造出新的产品。造型材料与加工工艺概论造型材料与加工工艺概论造型材料与加工工艺概论1.3.4材料与产品的匹配关系产品设计包含两个层面：功能设计与形式设计。1材料不仅是功能设计并且还是形式设计的主要处理对象，因为材料不仅保证了能维持产品功能的形态，而且材料成为直接被产品使用者所视及与触及的唯一对象；造型材料与加工工艺概论2在产品设计中，材料不仅要与功能设计层面并且还要与形式设计层面取得良好匹配。造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性第二章设计材料的分类及特性2.1设计材料的分类2.2材料特性的评价2.3材料的固有特性2.4材料的工艺特性造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性2.1设计材料的分类一、按材料的来源分类：第一代：天然材料——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；造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性第二代：加工材料——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；第三代：合成材料——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；一、按材料的来源分类：第四代：复合材料——用有机、无机非金属乃至金属等各种原料复合而成的材料；造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性第五代：功能性材料——具有智能性或应变性，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。记忆合金感温磁钢形状记忆合金1963年，美国海军军械研究室试验中需要镍钛合金丝，领回来的是弯曲的，为使用方便进行拉直。后续试验中：当温度升到一定值的时候，拉得笔直的合金丝，魔术般地迅速恢复到原状，且丝毫不差。只要达到一定温度，便立即恢复到原样。在从前被“冻”得失去知觉时被人们改变了形状，当温度升高到一定值，“苏醒”，又“记忆”起原样，便恢复面目。形状记忆合金不仅单次“记忆”能力几乎可达百分之百，即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳断裂。享有“永不忘本”、“百折不挠”等美誉，被比作一个人永不变节、坚贞不屈的精神和气节。形状记忆合金1969年7月20日，乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下第一个人类脚印，这位勇士从月宫里传回富于哲理的声音：“对我个人来说，这只是迈出的一小步；但对全人类来说，这是跨了一大步”。阿姆斯特朗当时的图像和声音通过形状记忆合金制成的天线从月球传输回地面。形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金还可以用作消防报警装置及电器设备的保险开关装置感温磁钢温度特性：在常温状态下，为铁磁物质，能够吸引硬磁，当温度升高到某一限界时，其磁性消失。此转变温度称为居里点。居里点随着软磁材料的成分而变化。应用：电饭煲的控制温度103℃，在饭熟后断电，断电后不能自动复位。二、按材料的物质结构分类：造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性三、按材料的形态分类：1线状材料——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；造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性2板状材料——设计中常用的板材有金属板、塑料板、合成板、金属网板、皮革、纺织布、玻璃板、纸板等；3块状材料——设计中常用的块材有木材、石材、泡沫塑料、混凝土、铸钢、铸铁、铸铝、油泥、石膏等。造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性2.2材料特性的评价一、材料特性包括两方面：1材料的固有特性：即材料的物理特性和化学特性；造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性2材料的派生特性：它是由材料的固有特性派生而来的，即材料的加工特性、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。右图是对这种关系的形象表示。二、产品特性的评价一般分为两部分进行：造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性2.3材料的固有特性一、材料的物理性能1材料的密度造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性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=M/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。一、材料的物理性能2力学性能造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性⑴强度：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。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；⑵弹性和塑性：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，仍能保持变形后的形状，而不恢复原形的性能，这一变形称为永久变形；一、材料的物理性能2力学性能造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性⑶脆性和韧性：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。脆性材料容易受冲击破坏，不能承受较高的局部应力；韧性指材料在冲击荷重或振动载荷下能承受很大的变形而不致破坏的性能；⑷硬度：材料表面抵抗塑性变形和破坏的能力，材料硬度值随实验方式不同而异；⑸耐磨性：其好坏常以磨损量作为衡量标准的指标。磨损量越小，说明材料耐磨性越好；一、材料的物理性能3热性能造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性⑴导热性：材料将热量从一侧表面传递到另一侧表面的能力，通常用热导系数来表示；⑵耐热性：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；⑶热胀性：材料由于温度变化产生膨胀或收缩的性能，通常用线膨胀系数来表示；⑷耐燃性：材料对火焰和高温的抵抗性能；⑸耐火性：材料长期抵抗高热而不熔化的性能，或称耐熔性。一、材料的物理性能4电性能造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性⑴导电性：材料传导电流的能力。通常用导电率来衡量导电性的好坏；⑵电绝缘性：通常用电阻率、介电常数、击穿强度来表示。一、材料的物理性能5磁性能造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性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：⑵顺磁性材料——在外加磁场中，只是被微弱磁化，如锰、铬、钼等；⑶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、锌等。⑴铁磁性材料——在外加磁场中，能强烈被磁化到很大程度，如铁、钴、镍等；一、材料的物理性能6光性能造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性材料对光的反射、透射、折射的性质。二、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指标。主要包括耐腐蚀性、抗氧化性和耐候性等。耐候性：指材料的物理以及化学性能不随天气、气候的变换而改变，例如玻璃和陶瓷的耐候性比塑料、木材的要好。造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性2.4材料的工艺特性2.4.1材料的成型加工2.4.2材料的连接工艺2.4.3材料的表面处理造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性2.4.1材料的成型加工一、在造型设计中，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。成型加工性能是衡量产品造型材料优劣的重要标志。造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性二、工业产品造型设计必须有一定的工艺技术来保证。三、成型加工工艺对设计效果的影响主要从以下几个方面反映出来：造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性1工艺方法2工艺水平3新工艺的采用4工艺方法的综合应用造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性2.4.2材料的连接工艺一、关于连接工艺造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性1定义：将两个或两个以上的材料零部件连接在一起的工艺和技术，是产品设计中一个十分重要的问题。2连接设计的作用：⑴满足产品的使用性能和功能要求；窗帘⑵延伸产品的功能；浴巾架地下焊接挂钩⑶满足外观造型设计的要求；⑷提升产品附加值。二、连接工艺的分类造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性分类连接方法连接原理机械连接钉接铆接螺纹连接键销连接卡扣连接焊接熔焊压焊钎焊粘接胶黏剂粘接溶剂粘接连接功能静连接不可拆固定连接：焊接铆接粘接钉接可拆固定连接：螺纹连接销连接卡扣连接插接动连接移动连接：滑动连接滚动连接转动连接：铰链连接轴连接柔性连接：弹簧连接软轴连接造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性2.4.3材料的表面处理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形态的表面加工与装饰技术。一、表面处理的目的造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性从产品造型设计出发，表面处理的目的：1保护产品；2装饰产品。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）。造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性二、表面处理类型造型材料与加工工艺设计材料的分类及特性1材料的表面性质和状态与表面处理技术有关，通过切削、研磨、抛光、冲压、喷砂、蚀刻、涂饰、镀饰等不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