造型材料与工艺(全套课件251P).ppt

1、大学课件1葛为民葛为民造型材料及工艺造型材料及工艺大学课件2本课程的学习内容本课程的学习内容n设计材料概述: 历史、分类、性能、感觉特性、绿色材料与绿色设计n常用设计材料的性能及加工工艺： 金属材料、塑料、 木材、玻璃大学课件3考试方式考试方式n五次大作业： 三种设计、金属产品、塑料产品、木材产品、玻璃产品。n期末考试： 基本概念n成绩： 作业+期末考试大学课件4第一章第一章 概论概论1.1 设计与材料设计与材料n什么是材料?n物质：气体、液体、固体n功能：价值n可用性：经济方便n什么是设计n造型计划n两者结合n熟悉材料n加工材料大学课件51.1 设计与材料设计与材料n 翻开人类进化史，我们不

2、难发现，材料的开发、使用和完善贯穿始终。人类从石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代步入当代的人工合成材料时代，材料早已成为人类赖以生存和生活中不可缺少的重要部分，它是人类文明和时代进步的标志，是社会科学技术发展水平的标志。 大学课件6材料的发展历史n青铜：5000年之前n铁器：春秋战国（公元前770）n钢：西汉后期石器时代青铜器时代铁器时代大学课件7青铜杰作青铜杰作大学课件8大学课件9从例子看材料的发展从例子看材料的发展n以家具中的椅子为例，可以看出椅子设计造型的变化与发展和椅子材料的应用与发展是相辅相成、相互影响、相互促进和相互制约的。 大学课件10从例子看材料的发展从例子看材料的发展n古

3、希腊时期，采用天然石材制作的石椅子，由于石材承受的压力远远高于承受拉力，且不易加工装配，通常整体落地因而形成一个基座式椅子的造型风格。大学课件11从例子看材料的发展从例子看材料的发展n我国明式家具在家具发展中占有十分重要的地位，明式家具除其完美简洁的造型、严谨合理的结构、精致的制作工艺外，自然亮丽的材料质感是明式家具的重要特征。大学课件12从例子看材料的发展从例子看材料的发展大学课件13从例子看材料的发展从例子看材料的发展n明式椅子所用木材多为紫檀木、黄花梨木、红木、乌木、铁力木和楠木等，这些木材质地坚硬、色泽柔和、纹理优美、强度高、气味独特，是其他一般木材无法比拟的。在用材上，根据椅子结构的

4、不同部位，分辨木材的材质、色泽和纹理，以恰如其分的尺寸进行粗细随形处理。在制作中，由于材质坚硬，使得精密的榫卯结构得以实现，这样使得明式椅子在造型上，线条更加挺拔秀丽、流畅其形体更加严谨轻巧、浑然一体。大学课件14从例子看材料的发展从例子看材料的发展n18世纪欧洲工业革命以来随着科学技术的发展，出现了各类新材料、新工艺，给家具造型带来了新的生命。 大学课件15从例子看材料的发展从例子看材料的发展n马谢尔布鲁耶(Marcel Breuer)领导的家具改革开辟了家具设计新的一页。n他由自行车把手而引出了钢管家具的设想，于1925年以钢管和帆布为材料，成功地设计制造出了世界上第一张以标准件构成的钢管

5、椅瓦西里椅。 大学课件16从例子看材料的发展从例子看材料的发展大学课件17从例子看材料的发展从例子看材料的发展n20世纪三四十年代以后， 由于合成树脂的迅速发展和高频胶合技术的应用，产生了一种新的椅子形态胶合板椅，它改变了原有木材的特性，且结构、强度等均发生了变化，赋予椅子新的造型风格。 大学课件18从例子看材料的发展从例子看材料的发展n如芬兰设计师阿尔瓦阿尔图(Alvar Aalto)设计的弯曲胶合板椅，采用胶合板材热压弯曲而成，其造型既有包豪斯时期钢管椅的结构特征，又有30年代流线型的美学特征，具有几何形体的明确性和简洁性的造型特点。 大学课件19从例子看材料的发展从例子看材料的发展大学课

6、件20从例子看材料的发展从例子看材料的发展n新的合金技术和合成化学技术也为椅子提供了各类高性能的轻质合金材料及高分子聚合材料，这一系列材料的问世，为椅子造型设计开辟了更广阔的领域。 大学课件21从例子看材料的发展从例子看材料的发展n设计师威勒.潘顿(Verner Panton)设计的塑料椅，采用塑料一次性成型，且造型简洁优美，色彩艳丽，独特的造型充分体现了塑料的生产工艺和结构特点，使塑料这种工业化、大众化的材料变得高雅。 大学课件22从例子看材料的发展从例子看材料的发展大学课件23从例子看材料的发展从例子看材料的发展n设计师皮尔罗.加提(Piero Gatti)等设计的Sacco椅，采用乙烯基

7、布缝制成一个锥状袋子，内装颗粒状聚苯乙烯泡沫球，此款布袋椅完全抛弃了家具设计的结构，适宜使用者所采取的各种坐姿。 大学课件24从例子看材料的发展从例子看材料的发展大学课件25从例子看材料的发展从例子看材料的发展n各种新材料、新工艺的出现，给椅子造型带来了新的生机，出现了诸如玻璃椅子(图16)、充气椅子(图17)等各种形式和结构。这些材料与工艺的结合，为椅子造型设计提供了更多的造型方法和手段产生了完全崭新的造型风格。 大学课件26从例子看材料的发展从例子看材料的发展大学课件27从例子看材料的发展从例子看材料的发展大学课件281.2 产品造型设计的物质基础产品造型设计的物质基础n产品造型设计:两者

8、的结合与统一 产品技术功能设计 美学设计n产品设计的三大要素 功能 形态 材料大学课件291.2 产品造型设计的物质基础产品造型设计的物质基础n工艺：材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺。n材料通过工艺过程成为具有定形态、结构、尺寸和表面特征的产品，将设计方案转变成具有使用价值和审美价值的实体。 大学课件301.3 材料设计材料设计n一批设计师不甘心被动地接受材料科学的研究成果，从“以人为本”的角度出发，积极评价各种材料在设计中的价值，挖掘材料在造型设计中的潜力，有意识地运用新材料和新技术来创造新产品，同时关注环境问题。从而出现了“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

9、的部分。 大学课件31材料设计的内容材料设计的内容n包括“物-人-环境”系统为对象；n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整体n研究材料特性与人、社会、环境的协调关系大学课件32材料设计的内容材料设计的内容大学课件33材料设计的方式材料设计的方式n从产品出发 功能 用途n从原材料出发 发挥材料特性 开拓产品新功能原材料原材料所具的特性产品用途产品所需的功能比较与评价材料选择材料改良材料研制开发应用技术开发用途开发再利用大学课件34材料与产品的匹配关系材料与产品的匹配关系功能设计、形式设计要求维持功能、造型材料的表面感觉（色泽、纹理）材料的性能感觉（软硬、轻重、冷暖）材

10、料的固有特性材料赋予的性能使用者要求视觉触觉视觉质感触觉质感大学课件35工程材料的分类历史历史n第一代：天然石材n第二代：加工材料n第三代：合成时代n第四代：复合材料n第五代：智能材料大学课件36工程材料的分类功能n建筑工程建筑工程n电子工程电子工程n机械工程材料机械工程材料n金属材料：钢铁、有色金属金属材料：钢铁、有色金属n无机非金属材料无机非金属材料: 陶瓷陶瓷n高分子材料高分子材料: 塑料、橡胶塑料、橡胶n复合材料复合材料 : 金属基、陶瓷基、高分子金属基、陶瓷基、高分子基基大学课件37工程材料的分类其它n按成分：有机、无机、复合n按聚集状态：固、液、气n按化学结构：金属键、离子键、共价

11、键n按构造：晶体、非晶体、混合n按形态：丝、板面、块状n按组合：单一、复合大学课件38材料的来源材料的来源n天然材料n加工材料n合成材料大学课件39产品与材料产品与材料n产品设计与材料n不同产品用不同材料n同一产品用不同材料n产品设计与加工技术n新材料n新工艺n新技术大学课件401-4 材料的一般性质材料的一般性质n物理性能1.密度2.熔点3.导热性能比热率，热导率，热膨胀系数4.电学性能5.磁学性能6.光学性能n化学性能1.耐热性2.耐腐蚀n力学性能1.强度2.弹性与塑性3.脆性与韧性4.硬度大学课件41材料的工艺性能材料的工艺性能n铸造性能n焊接性能n锻造性能n冲压加工性能n切削加工性能n

12、表面处理性能大学课件42造型材料应具有的性能造型材料应具有的性能一. 感觉特性:n视觉n触觉二. 环境耐候性三.加工成型性四. 表面工艺性大学课件43静载时材料的机械性能静载时材料的机械性能大学课件44强度强度n强度强度n弹性极限en屈服强度s sn抗拉强度b bn弹性与刚度弹性与刚度n弹性：变形的恢复能力n刚度：抗变形能力大学课件45硬度硬度n概念：材料表面抗挤压能力n常见规范：n布氏硬度n洛氏硬度n维氏硬度大学课件46布氏硬度布氏硬度n试验规范：n压头材料：淬火钢球n压头直径：10n标准压力：3000kgn适用材料：未淬火钢大学课件47洛氏硬度洛氏硬度n试验规范：n压头材料：120金刚石圆

13、锥n标准压力：150kgn适用材料：淬火钢大学课件48动载动载时的机械性能时的机械性能-冲击韧性冲击韧性n材料抵抗冲击载荷的能力大学课件491-5产品设计选用材料的基本原产品设计选用材料的基本原则则n适用性原则n性能：物理、化学、力学n工艺性原则n工艺方法n工艺水平n新工艺n性价比原则大学课件50&C O P Y R I G H T R E S E R V E D材 料材 料工 艺工 艺Material and TechnologyWUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY大学课件51材料材料工艺工艺Material and Technology第第二二章章 设计选材的设计选

14、材的“适应性适应性”原则原则2.1 设计选材的“适应性”要求2.2 设计选材的“适应性”原则2.3 设计选材的程序大学课件52材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.1 设计选材的设计选材的“适应性适应性”要求要求一、设计选材的复杂化一、设计选材的复杂化 设计选材是产品设计的重要环节，选择合适的材料与设计选材是产品设计的重要环节，选择合适的材料与工艺作为产品设计的物质技术基础，对设计概念转化为产工艺作为产品设计的物质技术基础，对设计概念转化为产品实物起着关键的作用。品实物起着关键的作用。 人类对材料及其工艺的认

15、识和选用经历了一个从简单人类对材料及其工艺的认识和选用经历了一个从简单到复杂的进化过程。在人类社会的早期，由于社会生产力到复杂的进化过程。在人类社会的早期，由于社会生产力水平低下和对材料的认识的局限，人们的设计造物活动仅水平低下和对材料的认识的局限，人们的设计造物活动仅限于对自然材料的简单加工，设计选材主要考虑满足生产限于对自然材料的简单加工，设计选材主要考虑满足生产生活的需要，如磨制石器、烧制陶器等等。随着社会生产生活的需要，如磨制石器、烧制陶器等等。随着社会生产力的发展，阶级和国家出现了，人们的社会生活方式越来力的发展，阶级和国家出现了，人们的社会生活方式越来越复杂，造物活动也越来越丰富多

16、彩，设计选材考虑的因越复杂，造物活动也越来越丰富多彩，设计选材考虑的因素也更复杂。比如奴隶主为了证明天赋神权及其统治的合素也更复杂。比如奴隶主为了证明天赋神权及其统治的合理性，选用硬度高、易铸造、耐腐蚀的青铜来制作表面铸理性，选用硬度高、易铸造、耐腐蚀的青铜来制作表面铸有巫教符号的有巫教符号的“饕餮纹饕餮纹”或奴隶主阶级武功圣绩的器皿，或奴隶主阶级武功圣绩的器皿，其设计选材主要考虑的不再是满足生产生活的需要，而是其设计选材主要考虑的不再是满足生产生活的需要，而是满足统治阶级肯定自身、统治社会满足统治阶级肯定自身、统治社会“协上下协上下”、“承天休承天休”的需要。后来，冶铁技术出现并逐渐成熟，铁

17、器比石器、的需要。后来，冶铁技术出现并逐渐成熟，铁器比石器、青铜器更锋利、更坚硬，因此被广泛地用来的制造兵器、青铜器更锋利、更坚硬，因此被广泛地用来的制造兵器、手工具和农具。手工具和农具。大学课件53材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.1 设计选材的设计选材的“适应性适应性”要求要求 到了明代，家具设计往往选用黄花梨、紫檀等优质硬木到了明代，家具设计往往选用黄花梨、紫檀等优质硬木为材料，这与当时社会与经济发展的有重大关系。明代和为材料，这与当时社会与经济发展的有重大关系。明代和清代中期是中国封建社会发展的顶

18、峰时期，出现了资本主清代中期是中国封建社会发展的顶峰时期，出现了资本主义萌芽，商业高度发达。明初郑和先后七次下南洋，打开义萌芽，商业高度发达。明初郑和先后七次下南洋，打开了中国与东南亚及非洲的海上贸易通道，从非洲和东南亚了中国与东南亚及非洲的海上贸易通道，从非洲和东南亚地区输入大量制作家具所需的高档木材地区输入大量制作家具所需的高档木材热带硬木（包热带硬木（包括黄花梨、紫檀等）。清代中期家具设计中常常采用镶嵌括黄花梨、紫檀等）。清代中期家具设计中常常采用镶嵌的工艺，镶嵌的材料包括木、牙、螺甸、琥珀、玛瑙、玉的工艺，镶嵌的材料包括木、牙、螺甸、琥珀、玛瑙、玉石等等，这与清代统治者从游牧民族到一统

19、天下，追求华石等等，这与清代统治者从游牧民族到一统天下，追求华丽和富贵的世俗作风是分不开的。可以看出，设计选材一丽和富贵的世俗作风是分不开的。可以看出，设计选材一直与材料技术、社会风气、流行趋势、经济水平等紧密关直与材料技术、社会风气、流行趋势、经济水平等紧密关联并随着社会生活方式的多样化而呈现逐渐复杂的趋势。联并随着社会生活方式的多样化而呈现逐渐复杂的趋势。大学课件54材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.1 设计选材的设计选材的“适应性适应性”要求要求 2020世纪世纪5050年代以来，新材料的开发与利用

20、已经获年代以来，新材料的开发与利用已经获得突飞猛进的发展。材料的品种越来越多，人们在设得突飞猛进的发展。材料的品种越来越多，人们在设计选材中面临的选择也越来越多。另外，由于材料和计选材中面临的选择也越来越多。另外，由于材料和结构之间存在着比较确定的关系，而结构与功能之间结构之间存在着比较确定的关系，而结构与功能之间却是一种不确定的关系，从而材料与功能之间也具有却是一种不确定的关系，从而材料与功能之间也具有不确定关系。也就是说，为了实现同一功能，我们可不确定关系。也就是说，为了实现同一功能，我们可以使用多种材料，而每一种材料都可以形成合理结构以使用多种材料，而每一种材料都可以形成合理结构而完成所

21、要达到的功能，从而产生相应的造型形式。而完成所要达到的功能，从而产生相应的造型形式。例如：木制椅子和钢管结构椅子，虽然它们的材料、例如：木制椅子和钢管结构椅子，虽然它们的材料、结构和造型都不同，但它们却实现着相同的功能。这结构和造型都不同，但它们却实现着相同的功能。这种种“功能功能”、“造型造型”和和“材料材料”之间的不确定关系，之间的不确定关系，一方面形成了丰富多彩的人造世界，另一方面却也使一方面形成了丰富多彩的人造世界，另一方面却也使得设计选材复杂化。得设计选材复杂化。 正是由于社会生活方式与材料品种的多样化，正是由于社会生活方式与材料品种的多样化，以及材料与功能、造型之间的不确定性；导致

22、了设计以及材料与功能、造型之间的不确定性；导致了设计选材越来越成为一门复杂的系统工程。选材越来越成为一门复杂的系统工程。大学课件55材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.1 设计选材的设计选材的“适应性适应性”要求要求二、设计选材的二、设计选材的“适应性适应性”要求要求 柳冠中先生在事理学论纲中提出柳冠中先生在事理学论纲中提出“设计是以一定的目的，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人为适应性系一定的方式来达到与客观条件和内部关系相适应的人为适应性系统。设计的适应性系统的应用原则由

23、系统的内部因素、外部因素统。设计的适应性系统的应用原则由系统的内部因素、外部因素和系统的目的三个要素构成。和系统的目的三个要素构成。”设计的适应性系统的成功与否，设计的适应性系统的成功与否，取决于系统内、外部因素的之间的相适应的程度。以汽车为例，取决于系统内、外部因素的之间的相适应的程度。以汽车为例，它是人类设计一个的独立的适应性系统，系统的目的是在人们的它是人类设计一个的独立的适应性系统，系统的目的是在人们的经济能力能够承受的情况下安全地完成运输任务或载人旅游。系经济能力能够承受的情况下安全地完成运输任务或载人旅游。系统的外部因素包括平坦的路面、大众能够承受的能源价位（如合统的外部因素包括平

24、坦的路面、大众能够承受的能源价位（如合理的油价）、完善的交通规则等，系统内部因素包括发动机、传理的油价）、完善的交通规则等，系统内部因素包括发动机、传动与制动装置、车轮等，只有内、外部因素相适应，系统的目的动与制动装置、车轮等，只有内、外部因素相适应，系统的目的才能实现。才能实现。 设计的适应性系统中人的行为主要由外部因素决定，同时也设计的适应性系统中人的行为主要由外部因素决定，同时也受到内部因素的制约，在内、外部因素之间寻找相适应，以实现受到内部因素的制约，在内、外部因素之间寻找相适应，以实现设计的目的。设计选材是设计的适应性系统中人的行为的一部分，设计的目的。设计选材是设计的适应性系统中人

25、的行为的一部分，也具有适应外界环境的特性。也具有适应外界环境的特性。大学课件56材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.1 设计选材的设计选材的“适应性适应性”要求要求 南方的竹筏和黄河上的羊皮筏的选材异同是对原材料生长环南方的竹筏和黄河上的羊皮筏的选材异同是对原材料生长环境的主动适应境的主动适应( (如图如图2-12-1、图、图2-2)2-2)；南方的竹床与北方的土炕的选；南方的竹床与北方的土炕的选材异同是对气候的主动适应；空调压缩机的选材是对高压环境的材异同是对气候的主动适应；空调压缩机的选材是对高压环境的

26、主动适应；电脑机箱外壳的选材是对屏蔽辐射的需求的主动适主动适应；电脑机箱外壳的选材是对屏蔽辐射的需求的主动适应应 在设计选材过程中，设计师总是在材料与工艺内部因素和外在设计选材过程中，设计师总是在材料与工艺内部因素和外部因素之间寻找相适应的契合点，体现了设计选材的部因素之间寻找相适应的契合点，体现了设计选材的“适应性适应性”要求。要求。图 2-2 羊皮筏图 2-1 竹筏大学课件57材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则选材作为设计的适应性系统中人的行为选材作为设

27、计的适应性系统中人的行为的一部分，具有适应性。在设计选材过程的一部分，具有适应性。在设计选材过程中，需要考察的因素包括如下两部分：中，需要考察的因素包括如下两部分：一、内部因素一、内部因素材料与工艺内部因素，包括材料的物理材料与工艺内部因素，包括材料的物理性能、机械性能、化学性能和工艺性能等。性能、机械性能、化学性能和工艺性能等。为适合设计专业教学需要，剔除了材料的为适合设计专业教学需要，剔除了材料的分子结构等内容。分子结构等内容。（一）材料的物理性能（一）材料的物理性能1 1密度密度密度是每立方厘米某种物质的质量。密密度是每立方厘米某种物质的质量。密度越大，同等体积的物体越重。度越大，同等体

28、积的物体越重。2 2导热性导热性导热性是指材料传导热的能力。导热性导热性是指材料传导热的能力。导热性与隔热性是一对反义词。比如铁的导热性与隔热性是一对反义词。比如铁的导热性好，而木材的导热性比较差（即隔热性比好，而木材的导热性比较差（即隔热性比较好），如锅铲的柄一般采用木制的（如较好），如锅铲的柄一般采用木制的（如图图2-32-3）。）。图2-3 铁锅和木柄勺子大学课件58材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则3 3热膨胀热膨胀大多数材料受热时膨胀，冷却时收缩。

29、大多数材料受热时膨胀，冷却时收缩。4 4导电性导电性导电性是指材料传导电的能力。根据导电能力的强弱，导电性是指材料传导电的能力。根据导电能力的强弱，把材料分为导体、半导体和绝缘体。把材料分为导体、半导体和绝缘体。5 5光学性能光学性能材料的光学性能包括透明度、反射、折射等。材料的光学性能包括透明度、反射、折射等。（1 1）透明度：材料的透明度是指可见光透过这种材料）透明度：材料的透明度是指可见光透过这种材料的程度。的程度。（2 2）反射：光的反射是指光射到两种不同的介质时，）反射：光的反射是指光射到两种不同的介质时，便有部分光自介面射回原介质中的现象。物体的颜色，就便有部分光自介面射回原介质中

30、的现象。物体的颜色，就是靠其反射光来体现的。是靠其反射光来体现的。（3 3）折射：光的折射是指光从一种介质斜射入另一种）折射：光的折射是指光从一种介质斜射入另一种介质时介质时, ,传播方向发生偏折的现象。传播方向发生偏折的现象。大学课件59材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则（二）材料的机械性能（二）材料的机械性能1 1强度强度强度是材料受到力的作用时抵抗形变能力的量度。强度是材料受到力的作用时抵抗形变能力的量度。（1 1）抗拉强度）抗拉强度 抗拉强度是指材料

31、承受拉伸力（张力）抗拉强度是指材料承受拉伸力（张力）的能力。在同等张力下发生形变较大的材料的抗拉强度较的能力。在同等张力下发生形变较大的材料的抗拉强度较低。如图低。如图2-42-4，材料，材料B B的抗拉强度比材料的抗拉强度比材料A A低。低。（2 2）抗压强度）抗压强度 抗压强度是指材料承受压力的能力。在抗压强度是指材料承受压力的能力。在同等压力下发生形变较大的材料的抗压强度较低。如图同等压力下发生形变较大的材料的抗压强度较低。如图2-2-5 5，材料，材料A A的抗压强度比材料的抗压强度比材料B B低。低。图 2-5 抗压强度测试示意图图 2-4 抗拉强度测试示意图大学课件60材料材料工艺

32、工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则（3 3）抗扭强度）抗扭强度 抗扭强度是指材料承受扭曲力（扭力）的能抗扭强度是指材料承受扭曲力（扭力）的能力。在同等扭力下发生形变较大的材料的抗扭强度较低。如图力。在同等扭力下发生形变较大的材料的抗扭强度较低。如图2-2-6 6，材料，材料A A的抗扭强度比材料的抗扭强度比材料B B低。低。2 2刚性刚性刚性是材料抵抗弯曲形变的性能。在同等作用力下弯曲变形刚性是材料抵抗弯曲形变的性能。在同等作用力下弯曲变形较大的材料的刚性比较低。如图较

33、大的材料的刚性比较低。如图2-72-7，材料，材料A A的刚性比材料的刚性比材料B B高。高。图 2-7 刚性测试示意图图 2-6 抗扭强度测试示意图大学课件61材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则3 3延展性延展性物体在外力作用下物体在外力作用下能延伸成细丝而不断能延伸成细丝而不断裂的性质叫延性；在裂的性质叫延性；在外力（锤击或滚轧）外力（锤击或滚轧）作用能碾成薄片而不作用能碾成薄片而不破裂的性质叫展性破裂的性质叫展性（如图（如图2-82-8）。如金属）。如

34、金属的延展性良好，其中的延展性良好，其中金、铂、铜、银、钨、金、铂、铜、银、钨、铝都有良好的延展性。铝都有良好的延展性。石英、玻璃等非金属石英、玻璃等非金属材料在高温时也有一材料在高温时也有一定的延展性。一种延定的延展性。一种延展性好的材料的抗拉展性好的材料的抗拉强度性能一般。强度性能一般。图 2-8 延展性测试示意图大学课件62材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则4 4脆性脆性脆性材料是一种在很小形变或没有形变情况下就破碎的材料。脆性材料是一种在很小形变或没

35、有形变情况下就破碎的材料。脆性材料在张力下会没有预示地突然断脆性材料在张力下会没有预示地突然断裂，而延展性材料总是在断裂之前先伸长（如图裂，而延展性材料总是在断裂之前先伸长（如图2-92-9）。）。5 5硬度硬度材料的硬度是它承受刻划、切割或压印的能力。如图材料的硬度是它承受刻划、切割或压印的能力。如图2-102-10，材料材料B B比材料比材料A A的硬度更加高。的硬度更加高。图 2-9 材料脆性测试示意图图 2-10 材料硬度测试示意图大学课件63材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选

36、材的“适应性适应性”原则原则6 6韧度韧度这是断开一种材料所需这是断开一种材料所需能量多少的一种量度。如能量多少的一种量度。如图图2-112-11所示，可以用所示，可以用“摆摆锤锤”的能量来比较不同材的能量来比较不同材料的韧度。材料料的韧度。材料B B比材料比材料A A的韧性更好。的韧性更好。7 7模量模量模量可以理解为是一种模量可以理解为是一种标准量或指标。标准量或指标。 模量前面模量前面一般要加说明语，比如弹一般要加说明语，比如弹性模量、压缩模量、剪切性模量、压缩模量、剪切模量等。这些都是与变形模量等。这些都是与变形有关的指标。有关的指标。 如弹性模量如弹性模量是指材料在弹性变形范围是指材

37、料在弹性变形范围内，作用于材料上的应力内，作用于材料上的应力与应变之比。同样，压缩与应变之比。同样，压缩模量和剪切模量是指压应模量和剪切模量是指压应力（或剪切应力）与压缩力（或剪切应力）与压缩应变（或剪切应变）之比。应变（或剪切应变）之比。图 2-11 韧度测试示意图大学课件64材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则8 8比强度与比模量比强度与比模量 比强度是材料的强度与材料密度的比值。比模量是材料比强度是材料的强度与材料密度的比值。比模量是材料的模量与材料密度

38、的比值。比强度和比模量是材料承载能力的重的模量与材料密度的比值。比强度和比模量是材料承载能力的重要指标。材料的比强度越高，具有同一强度的零件的重量越轻；要指标。材料的比强度越高，具有同一强度的零件的重量越轻；材料比模量越高，零件的刚性越大。材料比模量越高，零件的刚性越大。（三）材料的化学性能（三）材料的化学性能 工业材料最重要的化学性能是抵抗环境作用的能力，如工业材料最重要的化学性能是抵抗环境作用的能力，如耐腐蚀性、抗氧化性。另外，材料的化学成分也是选材中需要考耐腐蚀性、抗氧化性。另外，材料的化学成分也是选材中需要考虑的因素之一。比如，铜、锌和铅合金胶接性能不好，许多塑料虑的因素之一。比如，铜

39、、锌和铅合金胶接性能不好，许多塑料也有同样的情况。也有同样的情况。1 1耐腐蚀性耐腐蚀性耐腐蚀性指材料抵抗各种介质侵蚀的能力。耐腐蚀性指材料抵抗各种介质侵蚀的能力。2 2抗氧化性抗氧化性抗氧化性指材料在高温下，抵抗氧化的能力。抗氧化性指材料在高温下，抵抗氧化的能力。（四）材料的尺寸性能 设计师必须了解对公差和表面粗糙度的要求指数，如果需要非常小的公差，尺寸性能就成为一个影响选材的因素。比如零部件要求镜面抛光，则镜面抛光就成了材料选择的重要因素。因为有些材料根本做不到镜面抛光所要求的表面粗糙度。大学课件65材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计

40、选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则（五）材料的工艺性能（五）材料的工艺性能工艺性能是指将材料加工成所需形状难易程度的性能指标。比如，钛、工艺性能是指将材料加工成所需形状难易程度的性能指标。比如，钛、镁等金属的板材和带材，没有专门的机器或专用的热成型技术是不能成型的，镁等金属的板材和带材，没有专门的机器或专用的热成型技术是不能成型的，因而，使用这些金属时，比使用延展性好的低碳钢或铝合金要贵得多。材料因而，使用这些金属时，比使用延展性好的低碳钢或铝合金要贵得多。材料工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。所工艺性能的好坏，直接

41、影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。所以选材时必须充分考虑工艺性能。材料的工艺性能主要包括：以选材时必须充分考虑工艺性能。材料的工艺性能主要包括：1 1铸造性铸造性铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力。能力。2 2可锻性可锻性可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能。可锻性好坏主要以材料可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能。可锻性好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。的塑性和变形抗力来衡量。3 3可焊性可焊性可焊性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用可焊性是指材料是否易于

42、焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可焊性，但与金属的焊接机合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可焊性，但与金属的焊接机制及工艺方法并不相同。制及工艺方法并不相同。4 4切削加工性切削加工性切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能。它与材料种类、成分、切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能。它与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。切削加工性好的材料，硬度、韧性、导热性及内部组织状态等

43、许多因素有关。切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。金属和塑料相比，切削工艺有不同切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。金属和塑料相比，切削工艺有不同的要求。的要求。大学课件66材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则二、外部因素二、外部因素外部因素包括产品的功能需求、安全性、外观需求、市场因素外部因素包括产品的功能需求、安全性、外观需求、市场因素（材料可达性、成本、社会流行趋势）、国家相关政策法规、环（材料可达性、成本、社会流行趋势）、国家相关政

44、策法规、环境因素等。境因素等。（一）功能需求（一）功能需求产品都具有一定的功能，材料作为产品的物质载体，在实现产产品都具有一定的功能，材料作为产品的物质载体，在实现产品功能方面发挥着重要的作用。比如电饭锅的跳键功能（当米饭品功能方面发挥着重要的作用。比如电饭锅的跳键功能（当米饭煮熟后自动跳转到保温）就需要感温材料来实现。削笔刀的刀片煮熟后自动跳转到保温）就需要感温材料来实现。削笔刀的刀片与剃须刀的刀片的功能需求（所需的锋利程度）上存在差异，选与剃须刀的刀片的功能需求（所需的锋利程度）上存在差异，选用的材料也不同。因此，选材时需要考虑产品及其零部件的功能用的材料也不同。因此，选材时需要考虑产品及

45、其零部件的功能需求。需求。（二）安全性（二）安全性安全是最基本的因素之一。材料的选择应当按照有关的标准正安全是最基本的因素之一。材料的选择应当按照有关的标准正确选用，并充分考虑各种可能预见的危险。例如，医院的某些电确选用，并充分考虑各种可能预见的危险。例如，医院的某些电疗设备中与病人接触的部位，其表面应该选择具有抗静电性质的疗设备中与病人接触的部位，其表面应该选择具有抗静电性质的材料；在设备暴露的位置（如过道边）配置普通的平板玻璃，就材料；在设备暴露的位置（如过道边）配置普通的平板玻璃，就易于碰撞碎裂而造成人身伤害事故；在设备内部如果选用易泛潮易于碰撞碎裂而造成人身伤害事故；在设备内部如果选用

46、易泛潮的塑料轴承，就会因隐匿着腐蚀的危险性造成质量恶化而导致重的塑料轴承，就会因隐匿着腐蚀的危险性造成质量恶化而导致重要的控制器失灵。要的控制器失灵。大学课件67材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则（三）外观需求（三）外观需求产品的外观在很大程度上受其可见表面的影响，并采取材料所产品的外观在很大程度上受其可见表面的影响，并采取材料所能允许制造成的结构形式。因此，外观也是材料选择必须考虑的能允许制造成的结构形式。因此，外观也是材料选择必须考虑的一个重要因素。就产

47、品的表面效果来看，材料影响着表面的自然一个重要因素。就产品的表面效果来看，材料影响着表面的自然光泽、反射率与纹理；影响着所能采用的表面涂饰材料与方式；光泽、反射率与纹理；影响着所能采用的表面涂饰材料与方式；影响着涂饰的外观效果和在使用期限内的恶化程度和恶化速度。影响着涂饰的外观效果和在使用期限内的恶化程度和恶化速度。至于形成外观所需采取的制造工艺和手段，如浇铸、模铸、冲压、至于形成外观所需采取的制造工艺和手段，如浇铸、模铸、冲压、弯折或切削，也在很大程度上依赖于所采用的材料，并影响到造弯折或切削，也在很大程度上依赖于所采用的材料，并影响到造型在经济上是否切实可行。型在经济上是否切实可行。（四）

48、市场与经济因素（四）市场与经济因素选择材料的经济因素包括以下四点：选择材料的经济因素包括以下四点：1 1可达性可达性在最初考虑使用某种材料时，设计师应首先了解手边有没有这在最初考虑使用某种材料时，设计师应首先了解手边有没有这种材料。如果没有，那就看能否在规定期限内得到。如果产品要种材料。如果没有，那就看能否在规定期限内得到。如果产品要在数年后再制造，那么采用只从一个供应厂商才能得到的专用材在数年后再制造，那么采用只从一个供应厂商才能得到的专用材料是不明智的，会使在价格和供应量上完全受供应厂商的控制。料是不明智的，会使在价格和供应量上完全受供应厂商的控制。另外，如果在规定的时间内不能获得所需的材

49、料，就必须考虑用另外，如果在规定的时间内不能获得所需的材料，就必须考虑用另一种材料代替。因此可达性是工业产品设计选材的重要因素。另一种材料代替。因此可达性是工业产品设计选材的重要因素。大学课件68材料材料工艺工艺Material and Technology第二章第二章 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2.2 设计选材的设计选材的“适应性适应性”原则原则2 2成本成本 市场上材料的价格是选材的重要依市场上材料的价格是选材的重要依据。对于一种批量生产的产品，如果可据。对于一种批量生产的产品，如果可用工程塑料、工业陶瓷或金属，甚至复用工程塑料、工业陶瓷或金属，甚至复合材料来制造，则需要

50、比较各种材料的合材料来制造，则需要比较各种材料的价格。价格。产品设计中，使用材料的相对价格是产品设计中，使用材料的相对价格是随着经济气候和需求量的变化而涨落。随着经济气候和需求量的变化而涨落。如果要使用大量的材料，那么应该对现如果要使用大量的材料，那么应该对现行的材料价格进行全面的价格研究，总行的材料价格进行全面的价格研究，总的原则是选择价廉物美的材料。材料的的原则是选择价廉物美的材料。材料的价格一方面对总成本有很大的影响，同价格一方面对总成本有很大的影响，同时它本身在产品总成本中也占有较大的时它本身在产品总成本中也占有较大的比重，所以，材料价格是选材一个重要比重，所以，材料价格是选材一个重要