材料与工艺学

材料与工艺学讲课学时：24实验学时：24金迪主编联系：qq95771335信箱：[e-mail]目录第一章绪论第二章金属材料及其加工技术第三章工程塑料及其加工技术第四章工业陶瓷及其加工技术第五章玻璃及其加工技术第六章木材及其加工技术第七章涂料及其涂装工艺塑料椅Sacco椅胶合板椅玻璃椅充气椅石椅→木椅→钢管椅→1.1设计与材料第一章绪论一、材料与造型社会进程：石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代和人工合成材料时代。不同时代生活用品材质变化：明代家具—圈椅瓦西里椅胶合板椅S形塑料椅Sacco椅玻璃椅充气椅子二、造型材料的种类与基本性能造型材料分类按结合键性质分金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料按用途分结构材料功能材料材料的基本性能参量：性能须量化。例如冲击韧性α的单位是KJ/cm2，即单位面积消耗的功。外界条件：不同外界条件会得到相同的性能。例如:强度，高温，抗力，屈服，反复交变载荷等。如含锌30%的黄铜,在室温下抗拉强度是313MPa。铸造性可锻性焊接性切削加工性热处理性材料的基本性能使用性能力学性能物理性能化学性能工艺性能1.金属材料的性能（1）金属材料的力学性能强度定义：材料抵抗外力作用下变形和断裂的能力。主要的强度指标：屈服强度：表示材料发生明显塑性变形时的最低应力值。用σs表示，单位为MPa。抗拉强度：指材料在拉断前所承受的最大应力。用σb表示，单位MPa。塑性定义：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。判据：伸长率、断面收缩率。伸长率：指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。用δ表示。断面收缩率：指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。用ψ表示。弹性定义：金属材料在外力作用下产生变形，当外力去除后又恢复到原来形状和大小的一种特性。弹性极限：指材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值。用e表示，单位MPa。弹性模量：指材料承受外力时抵抗弹性变形的能力。以E来表示，单位为MPa。硬度定义：指材料表面抵抗局部变形或断裂的能力。按试验方法不同分布氏硬度（HB）洛氏硬度（HRC）维氏硬度（HV）疲劳强度定义：指材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值。对于对称循环交变应力的疲劳强度用用σ-1表示，单位为MPa。国标规定：对于钢铁材料，一般规定疲劳极限对应的应力循环次数为107，有色金属及合金为108。冲击韧性定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。用ak表示。（2）金属材料的物理、化学性能主要参数密度：材料单位体积内所含的质量熔点：金属材料由固态转变为液态的温度导热系数：维持单位温度梯度时，单位时间内流经物体单位面积的热量。线膨胀系数：温度每升高1℃时，金属材料的长度增量与原长度的比值。导电性：金属材料传导电流的能力。（3）金属材料的工艺性能铸造性：利用金属的可熔性将其熔化后，注入铸型制成铸件的难以程度。可锻性：金属材料在锻造过程中承受压力加工而具有的塑性变形的能力。焊接性：材料被焊接的难易程度。切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。热处理性：包括的指标有淬硬性、淬透性、淬火变形和裂纹等2.非金属材料的性能（1）物理性能容重定义：材料在自然状态下,单位体积的质量(包括孔隙和空隙）。密度定义：材料在绝对密实状态下单位体积的质量。孔隙用孔隙率来衡量。孔隙率指内部孔隙体积占总体积的百分比。材料的胀缩产生原因：由于大气中温度、湿度的变化或其他介质的作用引起。导致结果：材料在使用过程中，其胀缩受到制品结构的限制，会造成制品开裂和变形。（2）力学性能强度：特别是脆性材料,要用弯曲试验确定。单位相同。变形：除了弹性,塑性,还有蠕变和松弛。（3）与水相关的性能亲水性：水滴表面与材料表面夹角90度为亲水材料。吸水性：材料吸收水分的能力。耐水性：在水作用下,其强度不明显降低。抗渗性：抵抗压力水渗透的能力。（4）与热相关的性能导热性：和金属相同。热容：加热时能吸收热量,冷却时能放出热量。耐热性：长期在热环境下,抵抗热破坏的能力。耐燃性：对火和高温的抵抗不燃烧的能力。耐火性：抵抗高热而不熔化的能力。耐久性：使用过程中受载荷及大气等正常工作,不破坏不失去原有性质。三、造型材料应具备的特性工业造型材料的基本特性包括：感觉物性、加工成型性,表面工艺性及环境耐候性等。1.感觉物性通过人的感觉器官对材料的综合印象。这种感觉包括自然质感和人为质感。例如:木材,天然大理石,铝合金。2.加工成型性选定材料应是容易加工成型的。青铜加工成型性不好；钢铁加工成型好,应多用；工程塑料成型性好。3.表面工艺性表面处理改变表面状态,防腐,防化学,提高寿命,美观等。表面精加工,表面覆盖装饰,表面着色等。4.环境耐候性适应环境条件经得起环境因素变化的能力。例如着色铝---阳极氧化；电解铝着色(适于户外)；室内易用有机染色，钢铁加保护层。四、造型材料的应用和发展表现在以下几个方面：基础材料向高质量,低成本方向发展。新型结构材料向高温高比强度方向发展。复合材料是高性能材料的一个重要发展趋势。信息功能材料及其他新材料。新材料---立体集成电路,智能传感器,光集成电路,显示材料,敏感材料,超导材料。1.2工业造型材料的美学基础工业造型材料美学是研究材料的审美特性和创美规律及材料的加工方法和使用方法的学科。材料美学具体化就是质感设计。一、质感定义：是用来标志人对物体材质的生理,心理活动的。质感包括两个不同层次的概念:形式要素机理（即物面的几何细部特征）;内容要素质地（即物面的理化类别特征）。两个基本属性生理属性,如软硬,干湿,冷暖,凹凸等物理属性,如材质,类别,性质,机能等肌理：物体表面的组织结构。它是质感最主要的特征。包括触觉肌理（如材料表面的凸凹、粗细）和视觉肌理（如金属氧化的表面、木纹等）。质感与产品：是紧密联系在一起的,产品设计对材料进行加工处理形成具有物质功能又具有精神功能的产品。触觉质感：靠手,皮肤接触感知物体表面特征。触觉的构成生理构成：视觉,压觉,痛觉,位置觉等心理构成：快适和厌憎物理构成视觉质感：靠眼睛的视觉感知物体表面特征。二、造型质感设计形式与原则质感设计基本原则如下:(一)配比原则：用材上有总体与局部,局部与局部的配比关系,按形式美基本法则进行配比,获得美的质感效果。调和法则---使整体各部位物面质感统一和谐。例如塑料不与木材搭配,机床上不与木材搭配。对比法则---整体各部位物面质感有对比的变化,形成材质对比,工艺对比。例如金属与非金属,人造材料与天然材料。(二)主从原则：产品设计要有重点,主辅分开,主体在造型中起决定作用。(三)适合原则：要考虑材质的功能和价值,质感应与适用性相符。如体育金质奖杯配檀香基座好。三、质感设计在造型设计中的作用提高适用性：如在方向盘上包上一层柔软造革增加装饰性：如家电,汽车的涂装工艺。达到多样性和经济性：材料表面装饰用塑料贴面板代替木材表现真实性和价值性：良好的质感决定整体设计的真实性和价值性1.3产品造型设计与工艺性一、造型设计与加工工艺工艺方法：如手工弯钢板不如机器弯钢板。再如门结构，采用铸造方法造型的门,厚度大,表面平整性和边缘直线性都较差,且生产周期长。工艺水平：结构,材料和工艺方法相同,但工艺水平不同,其效果也不同。新工艺的采用：如精密铸件,精密模锻,挤压,轧制工艺方法综合运用：同种材料运用不同处理方法可得到不同效果。二、造型设计与装配工艺基本原则：1.避免装配时的机械加工2.应使装配方便3.应使拆卸方便4.应有正确的装配基面5.选合适的调整补偿环6.应便于起吊7.自动装配对零件结构的要求易于定位避免工件互相缠结避免零件相互错位三、造型设计与装饰工艺1.线形装饰明线装饰：采用与主体材料不同装饰材料(色彩,材质)。汽车装饰条宽度20mm,中部及底部装饰条宽度35mm--45mm。多采用铝合金材质。暗线装饰：色彩与主体完全一致2.色带装饰喷涂装饰色带单色带贴装印刷色带的贴装3.面板装饰面板位置明显,重要,要简洁,大方,美观。面板构图规律(1)要避免单调和呆板的对称性分割，ａ。(2)采用非对称性分割，ｂ。(3)利用斜线分割，ｅ。(4)应用曲线分割，ｆ。2.面板功能表现形式(1)用线包围区分(2)用括线区分(3)用空格区分(4)用色区区分第二章金属材料及其加工技术2.1常用金属材料及特性一、金属材料的特性及分类1.金属材料的特性具有良好的反射能力、金属光泽及不透明性具有良好的塑性变形能力具有良好的导电性、导热性2.常用金属材料的分类有色金属黑色金属轻金属重金属分类：按化学成分分为碳钢和合金钢按含碳量分为低碳钢，中碳钢，高碳钢按质量分为普通钢，优质钢，高级优质钢按用途分为结构钢，工具钢，特殊用途钢二、钢铁材料分类工业纯铁钢铸铁（一）工业纯铁C0.02%，塑性好，但强度低(σ=180--230MPa)。（二）钢分类：普通碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢1.碳钢(1)碳及杂质对钢性能影响碳的影响:随着含碳量增加,HB↑,σ↑,δ,ψ,α↓。当含碳量0.9%时,随着C↑,HB↑;σ,δ,α↓。杂质的影响:P↑;δ,ψ,α↓,低温脆性;S↑,FeS+Fe共晶体熔点987℃,热脆。（2）碳素结构钢1）牌号表示方法：Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号。Q表示“屈服强度”，单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D。由A到D，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号:沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ举例：Q235—A·F表示屈服强度为235MpaA级沸腾钢。2）用途用于桥梁、建筑、各种型钢和铆钉、螺钉、螺母等。（3）优质碳素结构钢1）牌号用两位数字表示。其中两位数字表示平均含碳量的万分数。举例：45钢表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。2）分类较高含锰量的优质碳素结构钢正常含锰量的优质碳素结构钢3）用途广泛用于制造机器零件，故又称机械制造用钢。如08钢（WC=0.08%）、10钢（WC=0.1%）用于制作冲压成形的机器外壳、容器、罩子等；45钢（WC=0.45%）制作轴、齿轮、连杆等。（4）碳素工具钢1）牌号用“T+数字+字母”表示，其中，“T”表示碳的汉语拼音字头，数字表示平均含碳量的千分数。例如T8，表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。含锰量较高者，在钢号后标以“锰”或“Mn”，如“碳8锰”或“T8Mn”；若在钢号后面加“A”，则表示为高级优质碳素工具钢。如T12A，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。制造各种量具、刃具等。如T7钢（WC=0.7%）主要用于制造手钳、剪刀、凿子、手锤等；T10钢（WC=1%）用于制作钻头、手用钢锯条、简单冷作模具等；T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。2）用途2.合金钢定义：为了改善钢的性能，在钢中加入一种或数种合金元素的钢。分类：合金结构钢：调质钢、弹簧钢、轴承钢合金工具钢：刃具钢、磨具钢、量具钢特殊性能钢：不锈钢、耐热钢等。(1)合金元素在钢中的作用常加入的元素有：Si、Mn、Cr、Ni、W、Ti、Al、Cu、稀土元素等。溶入固溶体中或碳化物中,固溶强化,提高合金钢的硬度,强度和耐磨性；改善热处理工艺，提高淬透性和回火稳定性,细化晶粒,提高性能;改变钢的平衡状态,会使奥氏体区加大减小消失。（1）合金结构钢牌号：用“两位数字+元素符号+数字”表示。两位数字表示平均含碳量的万分数，元素符号为主加元素，数字表示该合金元素的百分数，平均质量分数少于1.5%时不标数,平均质量分数为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%……时,相应地标以2、3……。滚动轴承钢用“G+Cr+铬含量”，其中，“G”表示“滚动轴承钢”。*铬含量以千分之一为单位。如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。举例：例如50Mn2，表示平均含碳量为0.5%，含锰量为2%左右的合金结构钢；高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE