設(shè)計材料的分類及特性.ppt

1、第二章 設(shè)計材料的分類及特性,2.1 設(shè)計材料的分類,1.按材料的來源分類 第一代：天然材料 第二代：加工材料 第三代：合成材料 第四代：復(fù)合材料 第五代：智能材料,1.按材料的來源分類,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。,1.按材料的來源分類,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，加工程度從低到高，有人造板、紙、水泥、金屬、陶瓷、玻璃等。,1.按材料的來源分類,合成材料利用化學(xué)合成方法將石油、天然氣和煤等原料制造而得的高分子材料，如塑料、橡膠、纖維等。,1.按材料的來源分類,復(fù)合材料用有機(jī)、無機(jī)非金屬乃至金屬等各種原材

2、料復(fù)合而成的材料。,1.按材料的來源分類,智能材料或應(yīng)變材料隨環(huán)境條件的變化具有應(yīng)變能力，擁有潛在功能的高級形式的復(fù)合材料。,2.按材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分類,3.按材料的形態(tài)分類,(1)線狀材料 設(shè)計中常用的有鋼管、鋼絲、鋁管、金屬棒、塑料管、塑料棒、木條、竹條、藤條等。圖21為采用金屬絲制作的椅子。,3.按材料的形態(tài)分類,3.按材料的形態(tài)分類,(2)板狀材料 設(shè)計中所用的板材有金屬板、木板、塑料板、合成板、金屬網(wǎng)板、皮革、紡織布、玻璃板、紙板等。圖22為采用膠合板材制作的凳子。,3.按材料的形態(tài)分類,2.2 材料特性的評價,一、材料的固有特性： 即材料的物理特性和化學(xué)特性 如力學(xué)性能、熱性能、電磁

3、性能、光學(xué)性能和防腐性能等； 二、材料的派生特性：它是由材料的固有特性派生而來的，即材料的加工特性、材料的感覺特性和經(jīng)濟(jì)特性。這些特性的綜合效應(yīng)從某種角度講決定著產(chǎn)品的基本特點(diǎn)。,2.2 材料特性的評價,2.2 材料特性的評價,材料所呈現(xiàn)出的性能是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)，受材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)所制約，這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)只有用特殊的方法才能被觀察到，它的變化通過材料性能變化被人們所感知，這就是我們對材料有“硬”與“軟”、“脆”與“韌”、對某種環(huán)境“敏感”與“不敏感”的感性認(rèn)識。,2.2 材料特性的評價,2.2 材料特性的評價,2.3 材料固有特性,2.3.1 材料的物理性能 1 材料的密度 2 力學(xué)性能

4、 強(qiáng)度： 彈性和塑性： 脆性和韌性 硬度 耐磨性,2 力學(xué)性能,強(qiáng)度：指材料在外力(載荷)作用下抵抗塑性變形和破壞作用的能力。材料抵抗外力產(chǎn)生明顯塑性變形的能力稱為屈服強(qiáng)度。 由于外力作用方式不同，材料的強(qiáng)度可分為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。,2 力學(xué)性能,彈性和塑性：彈性指材料受外力作用而發(fā)生變形這一變形稱為彈性變形；塑性指在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除時，仍能保持變形后的形狀，而不恢復(fù)原形的性能。這一變形稱為永久變形,2.3.1 材料的物理性能,3.熱性能 導(dǎo)熱性： 耐熱性： 熱脹性 耐燃性 耐火性,3.熱性能,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

5、系數(shù)來表示。導(dǎo)熱系數(shù)大，是熱的良導(dǎo)體，如金屬材料；導(dǎo)熱系數(shù)小，是熱的絕緣體，如高分子材料。,3.熱性能,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。晶態(tài)材料以熔點(diǎn)溫度為指標(biāo)(如金屬材料、晶態(tài)塑料)；非晶態(tài)材料以轉(zhuǎn)化溫度為指標(biāo)(如非晶態(tài)塑料、玻璃等)。,3.熱性能,熱脹性：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。熱脹系數(shù)以高分子材料為最大，金屬材料次之，陶瓷材料最小。,3.熱性能,耐燃性：材料對火焰和高溫的抵抗性能。根據(jù)材料耐燃能力可分為不燃材料和易燃材料。,3.熱性能,耐火性：材料長期抵抗高熱而不熔化的性能。 耐火材料按耐火度又分為耐火材料、 難熔材料

6、和易熔材料。,4.電性能,1）導(dǎo)電性：材料傳導(dǎo)電流的能力。通常用電導(dǎo)率來衡量導(dǎo)電性的好壞。電導(dǎo)率大的材料導(dǎo)電性能好。 2）電絕緣性：與導(dǎo)電性相反，通常用電阻率、介電常數(shù)和擊穿強(qiáng)度來表示。電阻率是電導(dǎo)率的倒數(shù)，電阻率大，材料電絕緣性好；擊穿強(qiáng)度越大，材料電絕緣性愈好；介電常數(shù)越小 ,材料的電絕緣性越好。,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。按磁化程度分為： 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、鉑、鎳等。 順磁性材料在外加磁場中，只是被微弱磁化，如錳、鉻、鉬等。 抗磁性材料能夠抗拒或減弱外加磁場磁化作用的材料，如銅、金、銀、鉛,6.光性能,材料對光的

7、反射、透射、折射的性質(zhì)。如材料對光的透射率愈高，材料的透明度愈好，材料對光的反射率高，材料的表面反光強(qiáng)，為高光材料。,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)。它主要包括耐腐蝕性、抗氧化性和耐候性等。,2.3.2 材料的化學(xué)性能,耐腐蝕性：材料抵抗周圍介質(zhì)腐蝕破壞的能力。 抗氧化性：材料在常溫或高溫時抵抗氧化作用的能力。 耐候性：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)。 玻璃、陶瓷的耐候性好，塑料的耐候性差。,2.4 材料的工藝特性,材料的工藝性是指材料適應(yīng)各種工藝處理要求的能力，材料

8、的工藝性包括材料的成型工藝、加工工藝和表面處理工藝。 它是材料固有特性的綜合反應(yīng)是決定材料能否進(jìn)行加工或如何進(jìn)行加工的重要因素，它直接關(guān)系到加工效率、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本等。 材料通過工藝過程成為具有一定形態(tài)、結(jié)構(gòu)、尺寸和表面特征的工業(yè)產(chǎn)品，將設(shè)計方案轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂惺褂煤蛯徝纼r值的實(shí)體。,2.4 材料的工藝特性,2.4 材料的工藝特性,圖26為Laborious鐘，其造型簡潔、明快。在 這個產(chǎn)品中充分運(yùn)用了各種加工和表面處理方法，不同的加工方式和工藝技巧產(chǎn)生了不同的效果。 它采用整塊不銹鋼板加工而成，采用了：沖孔、彎曲、切割、鉚接、研磨、拋光、涂飾等工藝手段，突出了機(jī)械美所特有的力量感和現(xiàn)代感。,2

9、.4.1 材料的成型加工,造型設(shè)計中，材料在通過加工后，必須能構(gòu)成并且能長期“記憶”住設(shè)計所賦予它的應(yīng)有形態(tài)，從而才能最終成為產(chǎn)品。 材料的成型加工性是衡量產(chǎn)品造型材料優(yōu)劣的重要標(biāo)志。產(chǎn)品造型設(shè)計材料必須具有良好的成型加工性能。 材料通過成型加工才能成為產(chǎn)品，并體現(xiàn)出設(shè)計者的設(shè)計思想。 如果沒有先進(jìn)、合理、可行的工藝手段，多么先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和美觀的造型，也只是紙上談兵而實(shí)現(xiàn)不了。,2.4.1 材料的成型加工,成型加工工藝對設(shè)計效果的影響因素很多，主要從以下幾個方面反映出來。 1.工藝方法 2.工藝水平 3.新工藝的采用 4.工藝方法的綜合運(yùn)用,1.工藝方法,不同的材料有不同的成型加工方法。鋼鐵材料

10、的成型加工工藝性能優(yōu)良，而且成型方法很多，可采用鑄造、鍛壓、焊接、切削加工(如車、鉆、鏜、磨、銑、刨等)等方法制造出許多機(jī)械設(shè)備和日用產(chǎn)品；,1.工藝方法,木材至今仍然是一種優(yōu)良的造型材料， 用途極廣。 這是由于木材具有易鋸、易刨、易打孔、易組合等加工成型特性，加之木材表面的紋理能給人以純樸、自然、舒適的感覺。,1.工藝方法,塑料制品的品種和數(shù)量日益增多，這不僅是由于塑料的原料易得、性能優(yōu)良(如重量徑、絕緣性好、耐腐蝕、耐藥品、有絕熱性等)、表面富有裝飾效果和不同質(zhì)感，還因為塑料的可塑性特別強(qiáng)，幾乎可以采用任何方法自由加工成形，塑造出幾何形體非常復(fù)雜的產(chǎn)品。,1.工藝方法,相同的材料和結(jié)構(gòu)方式

11、，采用不同的工藝方法，所獲得的外觀效果差異較大。 例如，用同樣的鋼板材料，彎板制作電氣控制柜用手工方法卷板成型很難達(dá)到預(yù)期效果，且費(fèi)時、勞動強(qiáng)度大；而采用機(jī)器彎板成型工藝方法，成型準(zhǔn)確，外觀平滑整齊、美觀，生產(chǎn)效率高，適合彎折復(fù)雜的斷面，是目前鋼板成型的較好工藝方式。,1.工藝方法,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差別。 如圖27所示，(a)為鑄造成型；(b)采用厚鋼板焊接成型；(c)采用薄鋼板彎折成型(為了增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在構(gòu)件上焊接一塊加強(qiáng)板)。,1.工藝方法,2.工藝水平,材料、結(jié)構(gòu)和工藝方法均相同，但由于工藝水平不同，所獲

12、得的產(chǎn)品質(zhì)量也不同. 例如，同樣的零件需要鑄造成型。采用翻砂鑄造，所得零件粗糙，尺寸精度很低；采用熔模鑄造，零件的精度和表面質(zhì)量就可提高很多。 又如，為了提高機(jī)床外觀質(zhì)量，改變過去傻大粗黑的造型，機(jī)床鑄件應(yīng)采用方形小圓角顯出棱角分明，形體平面平整光潔。但由于鑄造工藝水平低，鑄件很難滿足要求。為了提高外觀精度，許多精密機(jī)床的外表面不得不進(jìn)行粗加工、以彌補(bǔ)鑄件精度低的缺陷。 因此，提高工藝水平是保證產(chǎn)品造型效果的基本手段。,3.新工藝的采用,新工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝是提高產(chǎn)品造型效果的有效途徑。隨著科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，先進(jìn)工藝和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)如精密鑄造、精密鍛造、精密沖壓、擠壓、模鍛、軋制和粉末冶金工藝

13、等使毛坯趨于成品。在加工中電火花、電解、激光、電子束和超聲加工等工藝的發(fā)展，使難加工材料、復(fù)雜形面、精密微孔等的加工變得較為容易和方便。,3.新工藝的采用,4.工藝方法的綜合應(yīng)用,由于不同的成型方式各具特點(diǎn)，以及生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)水平、加工成本等方面的限制，因而不同的成型加工方式對產(chǎn)品造型設(shè)計提出生產(chǎn)工藝方面的要求也不同。,4.工藝方法的綜合應(yīng)用,如鑄件產(chǎn)品的造型設(shè)計要有適宜的脫模斜度、合理的結(jié)構(gòu)和壁厚，以便于脫模和減少模具制作的困難，降低成本； 切削加工件的造型在設(shè)計上要方便刀具的正常出入； 模壓產(chǎn)品設(shè)計要有一個合理的分型面，為了使材料充滿模具，外形應(yīng)力求簡單、平直，并盡可能避免多孔、深孔、拉伸

14、度過長的產(chǎn)品造型。,4.工藝方法的綜合應(yīng)用,設(shè)計師雖然不直接動手參與材料的加工成型，但是必須了解所設(shè)計的產(chǎn)品是否有可能采用某種技術(shù)來加工成型。 設(shè)計師必須充分了解各種材料的特性與適合該材料的各種成型技術(shù)。,2.4.2 材料的表面處理,產(chǎn)品設(shè)計是為了使所創(chuàng)造的產(chǎn)品與人之間取得最佳匹配的活動，而與人的關(guān)系還表現(xiàn)于視覺與觸覺的世界，也就是材料表面的世界。,2.4.2 材料的表面處理,具體說就是要處理諸如色彩、光澤、紋理、質(zhì)地等直接賦于視覺與觸覺的一切表面造型要素。而這些表面造型要素則會因材料表面性質(zhì)與狀態(tài)的改變而改變。產(chǎn)品表面所需的色彩、光澤、肌理等，除少數(shù)材料所固有的特性外，大多數(shù)是依靠各種表面處

15、理工藝來取得。,1 表面處理的目的,什么是表面處理： 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,表面處理的目的 1）保護(hù)產(chǎn)品：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， 2）根據(jù)產(chǎn)品造型設(shè)計的意圖，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。,1 表面處理的目的,表面處理技術(shù)既可

16、使相同材料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)，如圖28所示。 如電鍍不僅可改變塑料表面性能，而目可使塑料表面呈現(xiàn)金屬的光澤和質(zhì)感； 表面涂覆工藝不僅使金屬獲得符合設(shè)計要求的色彩，還可獲得仿木紋、仿皮革、仿紡織物等各種肌理。,1 表面處理的目的,2 表面處理的類型,（1）表面被覆,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的不同，表面被覆處理有鍍層被覆、有機(jī)涂層被覆、琺瑯被覆等。,（1）表面被覆,鍍層被覆：鍍層被覆技術(shù)能在制品表面形成具有金屬特性的鍍層，金屬鍍層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

17、飾效果，因此能保護(hù)和美化表面，提高產(chǎn)品的檔次。,（1）表面被覆,（1）表面被覆,鍍層被覆的金屬有銅、鎳、鉻、鐵、鋅、錫、鋁、鉛、金、銀、鉑及其合金。鍍層的顏色、色調(diào)和耐候性見表24。,（1）表面被覆,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。這是一種簡單而又經(jīng)濟(jì)可行的表面裝飾方法，在工業(yè)上通常簡稱為涂裝。圖210為表面采用多色涂飾的木結(jié)構(gòu)椅子。,涂層被覆,涂層被覆,涂裝的目的有三方面： 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； 裝飾作用：將制品表面裝飾成涂層所具有的色彩、光澤和肌理，使制品在外觀的視覺感受上成為美觀悅目的制品；,涂層被覆

18、,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)裝飾涂層。,涂層被覆,涂裝所用的材料是各種涂料，一般由主要成膜物質(zhì)、次要成膜物質(zhì)、輔助成膜物質(zhì)和揮發(fā)物質(zhì)組合而成。,涂層被覆,涂層被覆,其中主要成膜物質(zhì)是涂料中的主要組分，大多數(shù)為各種合成樹脂，其主要作用是將其他成分粘結(jié)成一個整體，并能附著在被覆制品表面，形成堅韌的保護(hù)膜。 根據(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25所示。,涂層被覆,由于有機(jī)溶劑涂料在使用時對環(huán)境有污染，同時為了節(jié)省資源，現(xiàn)代涂料已從有機(jī)涂料向水性涂料、粉末涂