造型材料与工艺[1]

《造型材料与工艺》期末复习指导2009—2010学年上学期工业设计07级专业基础课第一章概述一、材料与设计二、材料的分类1、按材料的发展历史分类1、第一代的天然材料：天然的石头、木材旧石器时代,人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），之后也都只是纯天然材料的简单加工而已。

2、第二代的加工材料：用矿物通过冶炼、烧结制成金属和陶瓷新石器时代、铜器时代和铁器时代，是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代，主要材料有：陶、铜和铁。

3、第三代的合成材料：将石油、天然气和煤等通过化学方法制成高分子材料人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料（除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。

超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表）。

4、第四代的复合材料：有机、无机非金属及金属等复合而成只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料5、第五代的智能材料或应变材料：随环境条件的变化具有应变能力和潜在功能的高级形式的复合材料如形状记忆合金、光致变色玻璃等等都是近年研发的智能材料（自然界中的材料都具有自适应、自诊断和自修复的功能，而目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构）memory metal-记忆合金主要是镍钛合金材料利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律。

2、按材料的物理状态、化学性质及用途分类按物理状态分气体：氢、氧、氮固态材料：最常使用液态材料：有机材料（油脂、涂料）按材料的化学结构分类金属材料：金属键无机材料：离子键有机材料：共价键半导体：介于金属材料与无机材料之间按材料的用途分类建筑材料、电工材料、结构材料、电子材料、研磨材料光学材料、耐火材料、感光材料、腐蚀材料、包装材料等3、按材料的来源分类①天然材料矿物：石材、粘土、矿石、宝石、熔岩、火山灰、金刚石、煤、水晶大气、海水：气、水蒸气、水、冰、海水动物质：皮、羽毛、骨、毛发、角、牙、油脂植物质：果实、茎、树皮、花、分泌物、蔓藤②加工材料纸、混凝土、合板、木棉、颜料、绢③合成材料塑料、橡胶、硅酸盐、合成纤维4 、按材料成份分类①有机材料：塑料、橡胶、有机纤维②无机材料：金属、硅酸盐、玻璃③复合材料：玻璃纤维增强树脂④其它：石墨、金刚石、碳纤维5、按材料构造分类①晶质材料金刚石、岩盐（单晶体）、金属、陶瓷（多晶体）②非晶质材料6、按材料形态分类线材、板状材料、块状材料本课程着重介绍材料金属材料、高分子材料陶瓷材料、玻璃、木材、涂料三、材料的一般性质1、密度ρ = m/ Vρ——材料的密度(kg/m3)m——干燥材料的质量(kg)V——材料在绝对密实状态下的体积（m3）容重：又称表观密度(Apparent Density) 有的也称毛体积密度，表观密度是指材料在自然状态下，单位体积所具有的质量，按下式计算：ρ=m/V0V0－材料在自然状态下的体积，或称表观体积（cm3或m3）。

材料在自然状态下的体积是指材料的实体积与材料内所含全部孔隙体积之和。

对于外形规则的材料，其测定很简便，只要测得材料的重量和体积，即可算得表观密度。

不规则材料的体积要采用排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防水分渗人材料内部而影响测定值。

三、材料的一般性质2、熔点熔点：纯金属由固态转变为液态时的温度，低于700℃为易熔金属高分子材料：高于glass transition温度Tg 为高粘度液体或橡胶状材料热塑性塑料熔点Tm>Tg；热固性塑料无Tm、Tg3、比热容（Sepcific Heat Capacity）单位质量的材料温度升高1 ℃所需要的热量J/(Kg•K)水的比热较大，金属的比热更小一些c铝>c铁>c钢>c铅(1)不同的物质有不同的比热，比热是物质的一种特性；(2)同一物质的比热一般不随质量、形状、温度而变化，如一杯水与一桶水，冷水与热水，它们的比热相同；(3)对同一物质，比热值与物体的状态有关，同一物质在同一状态下的比热是一定的，但在不同的状态时，比热是不相同的，如，水的比热与冰的比热不同。

4、热导率（coefficient of heat conductivity）：相对的两个面给予单位温差，在单位时间内传导的热量称为热导率（导热系数）W/m•K5、热膨胀系数（coefficient of heat expansion）：材料两点之间的单位距离在温度升高1 ℃时的变化为线膨胀系数，单位体积的变化为体胀系数6、强度（strength ）：FP RR ——材料的极限强度（Pa ） P ——材料破坏的最大载荷（N ） F ——材料受力截面积（cm 2） 7、弹性与塑性（elasticity and plasticity )在外力除去后能恢复原来形状的能力称材料的弹性材料能承受永久变形的能力称材料的塑性8、脆性与韧性(brittleness and toughness)材料承受外力无明显变形突然破坏的性质称脆性承受冲击载荷或振动载荷而不破坏的性能称为材料的韧性材料的一般性质9、硬度(hardness)：表面抗塑性变形或破坏的能力布氏硬度：金属材料、塑料、橡胶负荷P （1875~3000N ） 钢球直径D （2.5~10mm ） 压入被测金属表面保持10~60s 后测压痕的直径 洛氏硬度：以硬质压头的压痕深度来表示材料的硬度HR （A 、B 、C ）维氏硬度：与布氏硬度测量原理相似，所加载荷较小，压头为1360顶角的金刚石棱锥，测出压痕两对角线的平均长度。

HV 适合极薄零件和表面渗碳、渗氮层的硬度，精度高。

补充金属材料的几点性质（1）导电性：金属材料传导电流的能力称导电性。

衡量导电性好坏的参数电阻率：计算和衡量金属材料在常温下(200C)电阻值大小的性能指标导电性：银>铜和铝 合金<纯金属（2）磁性：磁性是指金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能铁磁性材料——在外加磁场中，能强烈被磁化到很大程度，如铁、钴、镍抗磁性材料——能抗拒或减弱外加磁场磁化作用的材料：铜、金、银、铅顺磁性材料—在外加磁场中，只是被微弱磁化，如锰、铬、钼（3）耐磨性：以磨损量作为衡量的指标。

（4）耐腐蚀性：指金属材料抵抗周围介质腐蚀破坏的能力。

（5）抗氧化性：指金属材料在室温或高温下抵抗氧化作用的能力，是高温材料的一项重要性能指标。

补充非金属材料的几点性质孔隙率：衡量孔隙的指标孔隙率是指材料内部空隙体积占材料总体积的百分比材料的胀缩：由于大气中温度、湿度的变化或其他介质的作用引起的。

材料在使用过程中、其胀缩常受到制品结构的限制，会造成制品开裂和变形。

非金属材料的变形：弹性变形、塑性变形、弹性模量徐变(或称蠕变)和松弛 对材料的使用影响较大亲水性：如果材料在空气中与水接触，材料分子与水分子之间的附着力大于水分子之间的内聚力，则水就能湿润材料的表面；否则材料不能被湿润，这种材料叫憎水性材料吸水性：指材料吸收水分的能力耐水性：指材料长期在水的作用下其强度不显著降低的性能。

抗渗性：这是指材料抵抗压力水渗透的性能其它：导热性、热容、耐热性、耐燃性、耐火性、耐久性四、材料感觉特性的运用（一）材料感觉特性的概念对材料的认识是实现产品设计的前提和保证按材料构成分为自然质感人为质感1、材料感觉特性的内容材料感觉特性：又称材料质感，包括生理心理属性和物理属性通过感觉器官对材料表面特征的刺激引起的对材料的综合印象2、材料的感觉特性评价3、影响材料感觉特性的相关因素（1）材料种类：组成、结构（2）成型加工工艺及表面处理工艺不同的加工方法和工艺技巧会产生不同的外观效果，从而获得不同的感觉特性锻造、铸造、焊接、铆接、编织、车削、磨削、电镀、喷砂（二）质感设计质感设计是产品造型的要素之一认材→选材→配材→理材→用材1、质感设计的形式美法则形式美：生活和自然中各种形式因素、几何要素、色彩、材质、光泽、形态的有机组合质感设计的形式美法则：各种材质有规律组合的基本法则（1）调和与对比法则整体与局部：统一和谐、对立变化在变化中求统一，在统一中求变化（2）主从法则强调在产品质感设计上要有重点，主从分明，有侧重点2、质感设计的运用原则（1）合理性：正确、经济（2）艺术性：提高艺术造型效果（3）创造性：突破材料运用的陈规采用新材料、新工艺→产生新效果3、质感设计的主要作用（1）提高适用性通过良好的触觉质感设计→提高适用性（2）增加宜人性良好的视觉质感设计（3）塑造产品的精神品位从整体出发→注意整体和谐→品位（4）达到产品的多样性和经济性人为质感设计替代和弥补自然质感选用不同材料塑造产品的个性特征（5）创造全新的产品风格（三）材料的抽象表达1、 材料的抽象表达材料特征→提炼、升华→具审美价值的意义→沿抽象表达的共同方向→具有抽象意念的材料2、 材料抽象表达的基础：抽象思维抽取形体的本质属性，撇开非本质属性的思维，用抽象符号代替具体形体形象，融进人们对艺术和文化的修养及个人激情。

3、 材料抽象表达对设计有直接的意义“用材料思考”的原则——成为现代设计的重要理念“用材料思考”强调把材质美作为设计元素“用材料思考”对材料美感的抽象表达是设计构思的艺术元素（四）材料的美感产品的功能美+结构美+色彩美+形态美+材料美+工艺美1、 材料的色彩美材料——色彩的载体 色彩⎩⎨⎧、烘托人为色彩：调节、强化品设计中的重要因素固然（自然）色彩：产 2、 材料的肌理美⎩⎨⎧触觉肌理视觉肌理 ⎩⎨⎧饰工艺形成再造肌理：通过表面面材质美自然肌理：突出材料的 (1) 同一肌理材料组合——组合协调 (2) 相似肌理的材料组合 (3) 对比肌理的材料组合3、 材料的光泽美根据材料的受光特征分为⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧漫反光定向反光反光材料透光材料 4、材料的质地美⎩⎨⎧人工质地天然质地 主要由材料自身的组成、结构、物理化学特性来表现 如软、硬、轻重、冷暖、干湿、粗细 在材料的选择和配置中实现材料质地特征及美感的表现力（1） 相似质地的材料配置 （2） 对比质地的材料配置5、材料的形态美——造型的基本要素线材——片材——块材（1） 线材的美感——长度、方向感（2） 片材的美感——延伸感和空间的虚实感（3） 块材的美感——重量感、充实感和较强的视觉表现力 （4） 综合形态的材料美感六、产品设计中材料的选择与开发（一）设计材料的选用1、设计材料的选择原则材料的外观：感觉特性 材料的固有特性 材料的工艺性 材料的生产成本及环境因素 材料的的创新2、影响材料选择的基本因素(1) 功能(2) 基本结构要求(3) 外观(4) 安全性(5) 控制件(6) 抗腐蚀性(7) 市场（二） 材料工程的发展方向1、新构思、新观念不断涌现：材料低维化、材料梯度化、材料复合化、材料仿生化、材料智能化、材料绿色化2、（营造特殊环境、利用极端手段）制备特殊材料，获得特殊性能3、成为其他高新技术综合应用的实验地4、经济实力成为制约材料领域发展速度、深度和广度的关键问题（三）设计材料的开发功能需求分析→确定性能指标→确定材料体系加工方法→材料成分设计和工艺参数优化→性能评价→应用→产品失效分析1、新材料：采用新工艺、新技术合成的具有特殊机能或性能有重大突破的一类材料，根据材料来设计产品2、新材料对产品造型设计的影响和作用(1)相互融合的关系 (2) 产品外观形象要具有未来性(3)材料在与功能相适应的同时要有良好的触觉质感和更好的可操作性 (4)设计应进一步开发传统材料3、 新材料的发展方向(1) 基础材料的开发金属、木材、玻璃、陶瓷、塑料进一步探索材料组成、结构和性能，以提高或替代原有材料的特性为具体目标，获得一定的材料特性，扩大材料的使用范围(2) 复合材料的开发两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料，通过不同的工艺方法组成的多相材料，具有单一素材无法具有的机能。