造型材料與工藝的分類及特征

第二章設(shè)計(jì)材料的分類及特點(diǎn)設(shè)計(jì)材料的分類材料特性的評價(jià)材料的固有特性材料的工藝（成型加工、表面處理）2.1設(shè)計(jì)材料的分類為了更好的了解材料，從以下幾個(gè)角度來對材料進(jìn)行分類：（1）按材料的來源分類第一代天然材料——不改變在自然界中所保持的狀態(tài)，或只施加低度加工的材料，如木材、竹、棉、毛、皮革、石材等第二代加工材料——利用天然材料經(jīng)不同程度的加工而得到的材料，人造板、紙、水泥、金屬、陶瓷、玻璃等第三代合成材料——利用化學(xué)合成方法將石油、天然氣和煤等制造而得到的高分子材料，如塑料、橡膠、纖維等第四代復(fù)合材料——用有機(jī)、無機(jī)非金屬乃至金屬等各種原材料復(fù)合而成的材料第五代智能材料——隨環(huán)境條件的變化具有應(yīng)變能力，擁有潛在功能高級形式的材料，如納米材料，記憶金屬等2.1設(shè)計(jì)材料的分類（2）按材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分類（根據(jù)化學(xué)鍵不同：金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵）金屬材料：黑色金屬，如：鑄鐵、碳鋼、合金鋼等；有色金屬，如：銅、鋁及其合金等特殊金屬材料：非晶態(tài)金屬、高強(qiáng)度模鋁鋰合金、形狀記憶合金、減震合金、超塑合金、儲氫合金、超導(dǎo)合金等。無機(jī)材料：石材、陶瓷、玻璃、石膏等；高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、高頻絕緣陶瓷、導(dǎo)體陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷等有機(jī)材料：木材、皮革、塑料、橡膠等復(fù)合材料：玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料等2.1設(shè)計(jì)材料的分類3）按材料的形態(tài)分類線狀材料：常用的鋼管、鋼絲、鋁管、金屬棒、塑料管、塑料棒、木條、竹條、藤條等。板狀材料：金屬板、木板、塑料板、合成板、金屬網(wǎng)板、皮革、紡織布、玻璃板、紙板等塊狀材料：木材、石材、泡沫塑料、混凝土、鑄鋼、鑄鐵、鑄鋁、油泥、石膏等4）按材料加工度的分類天然材料：加工材料：人造材料：2.2材料特性的評價(jià)

材料特性包括兩個(gè)方面：一是材料的固有特性，既材料的物理和化學(xué)特性，如力學(xué)性能、熱性能、電磁性能、光學(xué)性能和防腐性能等；二是材料的派生特性，它是由材料的固有特性派生兒來的，既材料的加工特性、材料的感覺特性和經(jīng)濟(jì)特性。2.2材料特性的評價(jià)2.2材料特性的評價(jià)評價(jià)類型評價(jià)因素基礎(chǔ)評價(jià)物質(zhì)評價(jià)組成、結(jié)構(gòu)、密度、形態(tài)、組織等性能評價(jià)物理性能機(jī)械性能（強(qiáng)度、彈性等）熱性能（熱膨脹、熱傳導(dǎo)、耐熱性等）電磁性能（導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性等）光學(xué)性能（顏色、反射率、偏光率等）化學(xué)性能耐酸性耐堿性耐臭氧性綜合評價(jià)壽命、耐環(huán)境性、可靠性、安全性等2.3材料的固有特性材料的固有特性是由材料本身的組成、結(jié)構(gòu)所決定的，是指材料在使用條件下表現(xiàn)出來的性能，它受外界條件的制約。2.3.1材料的物理性能（1）密度（2）力學(xué)性能（機(jī)械性能）強(qiáng)度：指材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞作用的能力（Pa）。

σ-ε曲線圖，其各特征點(diǎn)的含義為：oa段：應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)橹本€關(guān)系，此時(shí)a點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值稱為比例極限，用σp表示。它是應(yīng)力與應(yīng)變成正比例的最大極限。σ=Eε

即胡克定律，E為彈性模量，單位與σ相同。在屈服階段應(yīng)力不變而應(yīng)變不斷增加，這種現(xiàn)象叫屈服。對應(yīng)的應(yīng)力σs叫屈服極限。讓試件繼續(xù)變形，必須繼續(xù)加載，最高點(diǎn)（e點(diǎn)）所對應(yīng)的應(yīng)力σb稱為強(qiáng)度極限。應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限后，試件局部發(fā)生劇烈收縮的現(xiàn)象，稱為頸縮。σs，σb是衡量材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。為度量材料塑性變形的能力，定義延伸率δ和截面收縮率為材料分為兩類：δ≥5%-塑性材料；δ＜5%-脆性材料。其它塑性材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能工程上規(guī)定取完全卸載后具有殘余應(yīng)變量0.2%時(shí)的應(yīng)力叫名義屈服極限，用σ0.2

表示。鑄鐵拉伸時(shí)的力學(xué)性能具有以下特點(diǎn)

1）鑄鐵拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，它只有一個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)；且抗拉強(qiáng)度較低；2）在斷裂破壞前，幾乎沒有塑性變形；

3）關(guān)系近似服從胡克定律，并以割線的斜率作為彈性模量。

極限應(yīng)力，許用應(yīng)力，安全系數(shù)工程材料失效的兩種形式為：（1）塑性屈服，指材料失效時(shí)產(chǎn)生明顯的塑性變形，并伴有屈服現(xiàn)象。如低碳鋼、鋁合金等塑性材料。（2）脆性斷裂，材料失效時(shí)幾乎不產(chǎn)生塑性變形而突然斷裂。如鑄鐵、混凝土等脆斷材料。

極限應(yīng)力：對于塑性材料，進(jìn)入塑性屈服時(shí)的應(yīng)力取屈服極限；對于脆性材料：斷裂時(shí)的應(yīng)力是強(qiáng)度極限。許用應(yīng)力：保證構(gòu)件安全可靠工作所容許的最大應(yīng)力值。安全系數(shù)的選取原則充分體現(xiàn)了工程上處理安全與經(jīng)濟(jì)一對矛盾的原則，是復(fù)雜、審慎的事。其影響因素：（1）對載荷估計(jì)的準(zhǔn)確性與把握性。（2）材料的均勻性與力學(xué)性能指標(biāo)的穩(wěn)定性。（3）計(jì)算公式的近似性：由于應(yīng)力、應(yīng)變等理論計(jì)算公式建立在材料均勻連續(xù)，各向同性假設(shè)基礎(chǔ)上，拉伸（壓縮）應(yīng)力，變形公式要求載荷通過等直桿的軸線等，所以材料不均勻性，加載的偏心，桿件的初曲率都會造成理論計(jì)算的不精確。（4）環(huán)境：如加工精度，腐蝕介質(zhì)，高、低溫等問題均應(yīng)予以考慮。彈性和塑性：彈性指材料受外力作用而發(fā)生變形，外力除去后能恢復(fù)原形狀的性能。塑性指材料在外力作用下產(chǎn)生變形，外力除去后能保持變形后的形狀，而不恢復(fù)原形狀的性能。脆性和韌性：指材料受外力作用達(dá)到一定限度后，產(chǎn)生破壞而無明顯變形的性能。韌性指材料在沖擊載荷或振動(dòng)載荷下能承受很大的變形而不致破壞的性能。硬度：材料表面抵抗塑性變形和破壞的能力（材料抵抗其他物體壓入自己表面的能力）。耐磨性：在摩擦力作用下，材料表面抵抗磨損的能力?？蛊谛裕翰牧显诜磸?fù)作用力(拉伸、壓縮、彎曲、扭曲等)下抵抗破壞的能力。應(yīng)力的振幅超過某一限度材料即會導(dǎo)致材料的斷裂，這一限度稱為疲勞極限。疲勞壽命指在某一特定應(yīng)力下，材料發(fā)生疲勞斷裂前的循環(huán)數(shù)。（3）熱性能熔點(diǎn)：由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)的溫度稱為材料的熔點(diǎn)。比熱容：將1kg的材料溫度升高1℃所需要的熱量稱為該材料的比熱容。單位J/(kg·K)熱膨脹系數(shù)導(dǎo)熱性：材料將熱量從一側(cè)表面?zhèn)鬟f到另一側(cè)表面的能力，通常用導(dǎo)熱系數(shù)來表示。主要影響因素：空隙率和含水量。耐熱性：材料長期在熱環(huán)境下抵抗熱破壞的能力，通常用耐熱溫度來表示。熱膨脹性：材料由于溫度變化產(chǎn)生膨脹或收縮的性能，通常用線膨脹系數(shù)表示。耐燃性：材料對火焰和高溫的抵抗性能。耐火性：材料長期抵抗高熱而不熔化的性能，或稱耐熔性。（4）電性能導(dǎo)電性：材料傳導(dǎo)電流的能力。通常用導(dǎo)電率來衡量導(dǎo)電性的好壞。電絕緣性：材料阻止傳導(dǎo)電流的能力。（5）磁性能：磁性能是指金屬材料在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性強(qiáng)弱的性能。按磁化程度分：鐵磁性材料：在外加磁場中，能強(qiáng)烈被磁化到很大程度，如鐵、鈷、鎳等。順磁材料：在外磁場中，只能被微弱磁化，如錳、鉻、鉬等?？勾挪牧希耗軌蚩咕芑驕p弱外加磁場磁化作用的材料，如銅、金、銀、鉛、鋅等。（6）光性能：材料對光的反射、投射、折射的性質(zhì)。2.3.2材料的化學(xué)性能材料的化學(xué)性能指材料在常溫或高溫時(shí)抵抗各種介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)侵蝕的能力，是衡量材料性能優(yōu)劣的主要質(zhì)量指標(biāo)。耐腐蝕性：材料抵抗周圍介質(zhì)腐蝕破壞能力?？寡趸裕翰牧显诔鼗蚋邷貢r(shí)抵抗氧化作用的能力。耐侯性：材料在各種氣候條件下，保持其物理性能和化學(xué)性能不變的性質(zhì)。2.4材料的工藝性工藝對產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的作用：精湛的工藝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最佳效果的前提和保障。在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中，應(yīng)依據(jù)切實(shí)可行的工藝條件和工藝方法，編排出一套合理的工藝程序方案，確保工藝技術(shù)在加工過程中得以盡量發(fā)揮，將工藝的美從產(chǎn)品中淋漓盡致地體現(xiàn)出來。材料的工藝性是指材料適應(yīng)各種加工處理要求的能力，材料的工藝性包括材料的成型工藝、加工工藝和表面處理工藝。Laborious鐘：材質(zhì)：整塊不銹鋼板工藝：沖孔、彎曲、切割、鉚接、研磨、拋光、涂飾等其造型簡潔明快，突出了機(jī)械美所特有的力量感和現(xiàn)代感，并生動(dòng)地表現(xiàn)出人類的心靈手巧和嫻熟的技能。2.4.1材料的成型加工任何一件產(chǎn)品都具有一定的形狀和結(jié)構(gòu)特征,形狀和結(jié)構(gòu)特征是通過對材料的成型加工獲得的。成型加工包括熔融狀態(tài)下的一次成型和冷卻后的車、銑、刨、磨等二次加工。成型加工工藝對設(shè)計(jì)效果的影響因素：1工藝方法不同的材料有不同的加工方法；鋼鐵材料：木材：塑料：相同的材料和結(jié)構(gòu)方式，采用不同的工藝方法，所獲得的外觀效果差異很大；相同的造型，由于所選材料和工藝方法不同，其造型結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)的變化，以至最終的外觀造型效果也有一定的差別。

2工藝水平

3新工藝采用

4工藝方法的綜合應(yīng)用

表2-1常用特種加工類型加工方法加工能量應(yīng)用范圍電火花加工電穿孔、型腔加工、切割、強(qiáng)化等電解加工電化學(xué)型腔加工、拋光、去毛刺、刻印等電解磨削電化學(xué)機(jī)械平面、內(nèi)外圓、成型加工等超聲加工聲型腔加工、穿孔、拋光等激光加工光金屬、非金屬材料、微孔、切割、熱處理、焊接、表面圖形刻制等化學(xué)加工化學(xué)金屬材料，蝕刻圖形，薄板加工等電子束加工電金屬、非金屬、微孔、切割、焊接等離子束加工電注入、鍍覆、微孔、蝕刻、去毛刺、切割等噴射加工機(jī)械去毛刺、切割等2.4.2材料的連接工藝1.機(jī)械連接2.焊接3.粘接技術(shù)4.靜連接5.動(dòng)連接2.4.3材料的表面處理表面處理技術(shù)是指采用諸如表面電鍍、涂裝、研磨、拋光、覆貼等能改變材料表面性質(zhì)與狀態(tài)的表面加工與裝飾技術(shù)。1表面處理的目的從產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)出發(fā)，表面處理的目的：一是保護(hù)產(chǎn)品，既保護(hù)材料本身賦予產(chǎn)品表面的光澤、色彩、肌理等而呈現(xiàn)出的外觀美，并提高產(chǎn)品的耐用性，確保產(chǎn)品的安全性，由此有效地利用材料資源；二是根據(jù)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的意圖，改變產(chǎn)品表面狀態(tài)、賦予表面更豐富的色彩、光澤、肌理等，提高表面裝飾效果，改善表面的物理性能（光性能、熱性能、電性能等）、化學(xué)性能（防腐蝕、防污染、延長使用壽命）及生物學(xué)性能（防蟲、防腐、防霉等），使產(chǎn)品表面有更好的感覺特性。表面處理技術(shù)，既可使相同的材質(zhì)具有不同的感覺特性（同材異質(zhì)感），又可使不同材料獲得相同的感覺特性（異材同質(zhì)感）。2表面處理的類型設(shè)計(jì)中所采用的表面處理技術(shù)，一般可分為三類，如表2-3：表2-3造型材料表面處理的分類分類處理的目的處理方法和技術(shù)表面精加工有平滑性和光澤，形成凹凸花紋機(jī)械方法（切削、研削、研磨）化學(xué)方法（研磨，表面清潔、蝕刻、電化學(xué)拋光）表面層改質(zhì)有耐蝕性，有耐磨耗性，易著色化學(xué)方法（化成處理、表面硬化）電化學(xué)方法（陽極氧化）表面被覆有耐蝕性，有色彩性，賦予材料表面功能金屬被覆（電鍍、鍍覆）有機(jī)物被覆（涂裝、塑料襯里）琺瑯被覆表面被覆表面被覆的概念在原有材料表面堆積新物質(zhì)的技術(shù)。依據(jù)被覆材料和被覆處理方式不同，表面被覆處理有鍍層被覆、有機(jī)涂層被覆、琺瑯被覆等。（1）鍍層被覆：在制品表面形成具有金屬特性的鍍層。

A作用：不僅能提高制品的耐蝕性和耐磨性，而且能夠增強(qiáng)制品表面的色彩、光澤和肌理的裝飾效果。提高導(dǎo)電導(dǎo)磁性能；提高光的反射性能；修復(fù)工件尺寸等。

B鍍層被覆的金屬有：銅、鎳、鉻、鐵、鋅、錫、鋁、鉛、金、銀、鉑及其合金。C電鍍的基本原理D影響電鍍的因素：

①表面的鍍前處理（整平、除油等）；②電鍍液的組成（成分與濃度等）及凹處產(chǎn)生鍍層的能力；③電解規(guī)范的控制；④電鍍零件的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)CuFeCuSO4E金屬鍍層的分類及其應(yīng)用來分類①防護(hù)性鍍層②裝飾—防護(hù)性鍍層③特殊性能鍍層F常用的金屬表面裝飾電鍍①鍍鉻（防護(hù)裝飾性鍍鉻、鍍黑鉻、乳白鉻、鍍硬鉻、多孔性鍍鉻）②鍍鎳③鍍銀（燈具）④鍍金⑤鍍合金G塑料電鍍的基本工藝過程塑料制作電鍍成品化學(xué)鍍還原處理活化處理敏化處理機(jī)械粗化化學(xué)除油化學(xué)粗化表2-4鍍層金屬特性鍍層金屬鍍層金屬的顏色鍍層的色調(diào)耐候性指示影響金黃色從帶藍(lán)頭的黃色到帶紅頭的黑色厚膜時(shí)不變不變銀白色或淺灰色純白、奶黃色、帶藍(lán)頭的白色泛黃、褪色變銅紅黃色桃色、紅黃色泛紅、泛黑變鉛帶藍(lán)頭的灰色鉛色不變鐵灰色、銀色茶灰色變成茶褐色變鎳灰白色茶灰白色褪光微變鉻鋼灰色藍(lán)白色不變不變錫銀白，黃頭白色灰色褪光微變鋅藍(lán)白色藍(lán)白色、黃色、白色產(chǎn)生白銹變（2）涂層被覆：涂層被覆技術(shù)是在制品表面形成以有機(jī)物為主體的膜層，并干燥成膜的工藝。

涂裝的目的：①保護(hù)作用：防止制品表面受腐蝕、被劃傷和臟污，提高制品的耐久性；②裝飾作用：將制品表面裝飾成涂層所具有的色彩、光澤和機(jī)理，使制品在外觀的視覺感受上成為美觀悅目的制品；③特殊作用：使制品具有隔熱、絕緣、耐水、耐輻射、殺菌、吸收雷達(dá)波、隔音、導(dǎo)電等特殊功能。特別是通過涂裝與其他表面處理技術(shù)相疊加的多重處理，可獲得能適應(yīng)相當(dāng)苛刻條件和使用環(huán)境的防護(hù)裝飾圖層。涂料組成：涂料組成主要成膜物質(zhì)次要成膜物質(zhì)——顏料——著色顏料、防銹顏料、體質(zhì)顏料輔助主要成膜物質(zhì)——助劑——增塑劑、固化劑、催化劑、穩(wěn)定劑揮發(fā)成分——稀料油料——?jiǎng)游镉汀⒅参镉蜆渲烊粯渲?、合成樹脂根?jù)涂料中的主要成膜物質(zhì)的類型，我國涂料種類可分為17類，如表：序號主要成膜物質(zhì)類別涂料類別1油脂油脂漆類2天然樹脂天然樹脂漆類3酚醛樹脂酚醛樹脂漆類4瀝青瀝青漆類5醇酸樹脂醇酸樹脂漆類6氨基樹脂氨基樹脂漆類7硝基纖維素硝基漆類8纖維酯、纖維醚纖維素漆類9過氯乙烯樹脂過氯乙烯樹脂漆類10烯類樹脂烯樹脂漆類11丙烯酸樹脂丙烯酸樹脂漆類12聚酯樹脂聚酯樹脂漆類13環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂漆類14聚氨基甲酸酯聚氨酯漆類15元素有機(jī)化合物元素有機(jī)硅漆類16橡膠聚氨基甲酸酯漆類17其他其他漆類由于有機(jī)溶劑對環(huán)境有污染，現(xiàn)代涂料已從有機(jī)涂料向水性涂料、粉末涂料、高固體組分涂料和反應(yīng)性涂料轉(zhuǎn)換。涂裝工藝一般包括制件表面涂裝前處理、涂敷涂料及涂層干燥。（3）琺瑯被覆琺瑯被覆（景泰藍(lán)、搪瓷）是用玻璃質(zhì)材料在金屬制品表面形成一被覆層，然后在800℃左右進(jìn)行燒制而成。如圖2-11。被覆琺瑯金屬：鐵、銅、鋁、不銹鋼以及金、銀被覆制品優(yōu)點(diǎn)：堅(jiān)固性和耐蝕性，并具有優(yōu)良的裝飾性。缺點(diǎn)：受到?jīng)_擊和溫度急劇變化時(shí)，琺瑯層容易剝落。表面層改質(zhì)即改變原有材料的表面性質(zhì)。方式：A通過物質(zhì)擴(kuò)散在原有材料表面滲入新的物質(zhì)成分，改變原有材料表面的結(jié)構(gòu)，如鋼材的滲氮滲碳處理、鋁的陽極氧化、玻璃的淬火等。B通過化學(xué)的或電化學(xué)的反應(yīng)而形成氧化膜或無機(jī)鹽覆蓋膜來改變材料表面的性能，來提高原有材料的耐蝕性、耐磨性及著色性等。⑴主要方法：①化成處理：是通過氧或堿液的作用使金屬表面形成氧化物或無機(jī)鹽覆蓋膜的過程。②陽極氧化處理：將金屬制件置于電解槽中的陽極上，通過電化學(xué)作用使其氧化而形成氧化膜的過程稱為陽極氧化，這種表面處理方法對鋁及其合金制件廣泛使用。特點(diǎn)：氧化膜具有多孔性、吸附性、