材料工艺学-概论-WU-Jian

WUJian2018.05材料工艺学1、程能林编《产品造型材料与工艺》，北京理工大学出版社2、江湘云编《设计材料及加工工艺》，北京理工大学出版社3、闫卫编《工业设计师必备的材料与工艺常识》，机械工业出版社推荐书目第一章概论概念及重要性什么是材料（material）呢？很简单，向四周看看，你看到了什么？我们穿的衣服是由各种材料制成的。我们的宿舍是由各种材料建成的（大部分是人工合成的）。窗户上的玻璃，吃饭用的碗、勺子，我们无论往哪儿看，映入眼帘的都是各种材料。广义地说材料是指包括人们思想意识之外的所有物质。狭义地讲材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计历时性的考察材料在人类设计生活中的运用在人类的历史长河中，我们不难发现，材料的开发、使用和完善贯穿其始终。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。自古以来，人类使用材料时就注意到各种材料的基本特征，并经过无数次的失败与成功，积累和丰富了对材料的认识和加工技术。针对不同的材料予以不同的形态设计。对材料的理解和认知过程，成为工业设计中的一个重要环节。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性远古的石器时代，人类懂得研磨，用锋利并形状规整的势头制成匕首，斧头和枪尖等。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性后来，出现了焙烧陶器，即利用塑性好的粘土，通过烧结而成发明了制陶术。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性在青铜器时代，利用青铜的熔点较低，硬度高，便于铸造的特征，制作成食器、酒器、装饰品和兵器。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性中国是瓷的故乡、早在商代就出现了原始的瓷器，经过长期发展，在宋代达到了鼎盛时期。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性到了铁器时代，出现了以铁为主的一系列金属和合金材料，被用以制作各种手工艺器具、家庭器具、农生产工具以及武器等。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性工业革命以后，科学技术日新月异，新材料不断涌现。发展到今日，出现各种材料百家争鸣的局面。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性举例：椅子远古时期，采用天然石材制作的石椅子。后来出现用木材制作家具。我国明代家具，在家具发展史中占有重要地位。明式椅子具有简、厚、精、雅之特色，所用木材多为紫檀木、黄花梨木、杞梓木，红木、乌木、铁力木和楠木等。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性工业革命后，新材料不断出现。1919年，德国格罗佩斯(WalterGropius)创办包豪斯学校(Bauhaus)，兴起的“包豪斯”学派，由马谢尔·布鲁耶(MarcelBreuer)领导的家具改革，开辟了家具设计新的一页,设计制造出了世界上第一张以标准件构成的钢管椅——瓦西里椅。首创了世界钢管椅的设计，突破了原有木制椅子的造型范围。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性20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，赋予椅子新的造型风格。如芬兰设计师阿尔瓦·阿尔托(AlvarAalto)设计的弯曲胶合板椅。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性此外，新的合金技术，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。如设计师威勒·潘顿(VernerPanton)设计的塑料椅。设计师皮尔罗·加提(PieroGatti)等设计的Sacco椅，采用乙烯基布缝制成一个锥状袋子，内装颗粒状聚苯乙烯泡沫球。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性“材料”一词的含义包括两层意思：一指材料的物理、化学等性质，称为“材质”。二指物体表面的视觉与触觉效果，称为“质感”。也就是人们常说的肌理、质地，意为物体表面于人视觉或触觉感受。有粗、细、柔、硬、干、湿等种种不同的感受；而质感表现在产品表面上的视觉因素，来自于其材料的纹理、表面粗滑、纹理的排列，以及纹理的疏密程度等因素。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性材料与工艺是工业设计的物质技术条件，是产品设计的前提，产品的功能、造型和色彩的实现都建立在材料和工艺上。材料的不同，必然带来设计的不同，每一种新材料、新工艺的出现都会为设计实施的可能性创造条件，并对设计提出更高的要求，给设计带来新的飞跃，出现新的设计风格，产生新的功能，新的结构和新的形态。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性19世纪以前的制品都是采用天然材料做的，材料与制品的对应关系都是相对固的。20世纪初塑料诞生后，由于塑料的质地均匀、价格便宜，并适合于机械大生产，因此大部分器具纷纷以塑料替代天然材料，其中尤其突出的是用尼龙代替丝绸。这个时期的设计没能摆脱“替代设计”的范畴。近年来，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。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性材料设计的内容产品造型的材料设计，是以包括“物一人一环境”的材料系统为对象，将材料性能、使用、选择、制造、开发、废弃处理和环境保护看成一个整体，使材料特性与产品的功能达到和谐统一。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性材料设计的方式产品造型中的材料设计，其出发点在于原材料所具有的特性与产品所需性能之间的充分比较。其主要方式有两种：一是从产品的功能、用途出发，思考如何选择、利用甚至研制相应的材料；二是从原材料出发，思考如何发挥材料的特性，开拓产品的新功能，甚至创造全新的产品。不论是哪一种方式，其根本之所在都是使原材料的特性与产品所需性能取得更好的匹配。第一章一、材料的定义二、设计与材料三、材料及工艺的重要性四、材料设计概念及重要性1.按材料的发展历史分类第一代的天然材料第二代的加工材料第三代的合成材料第四代的复合材料第五代的智能材料设计材料木材、皮革、石材陶瓷、玻璃、金属塑料、橡胶、纤维人造革、玻璃钢感温磁钢、形状记忆合金材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性天然材料材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性加工材料材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性合成材料材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性复合材料、智能材料材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性2.按材料的化学结构分类①金属材料②无机材料③有机材料金属键离子键共价键材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性3.按材料的用途分类根据各行业部门，如机械工业、电器工业、化学工业、土建工业、医用工业及农业等，则与选择复合特定要求的材料，如建筑材料、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、耐腐蚀材料、包装材料等。这种分类作为社会上应用较为方便，但不够体系化。材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性此外，还可以按材料的物理状态分类①线性材料——钢管、钢丝、木条。②板状材料——木板、金属板、皮革、布。③块状材料——石材、铸铁、石膏。按材料的形态分类①气体——氢、氧、氮。②液体——油脂、涂料。③固体——木材、钢铁、玻璃。材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性1.密度材料在绝对密室状态下单位体积的质量2.熔点材料由固态转变为液态时的温度3.比热容将1克质量的材料温度升高1℃所需要的热量材料的分类及特征第一讲五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性5.热胀系数4.导热率（导热系数）材料中将热量从一侧表面传递到另一侧表面的性质称为导热性。具有单位厚度的材料，其相对的两个面上如果给予单位的温度差，则在单位时间内传导的热量称为热导率（或导热系数）。材料由于其温度上升或下降会产生膨胀或收缩，此种变形如果是以材料上两点之间的单位距离在温度升高1℃时的变化来计算即称为线胀系数；如果是以物体的体积变化来计算则称为体胀系数。材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性6.强度材料在外力（载荷）作用下抵抗破坏的能力大小称为强度。材料抵抗外力破坏作用的最大能力称为极限强度。材料的强度根据外力作用的方式分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度。抗压、抗拉强度的计算式为R=P／F材料极限强度材料破坏时的最大载荷材料受力截面积材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性7.弹性与塑性在外力作用下材料产生变形，当外力除去后材料能恢复原来形状的性能称为材料的弹性，这一变形称为弹性变形。在外力作用下材料产生变形，当外力除去后仍保持变形后的形状和尺寸，但不产生裂缝，这一变形称为永久变形，材料所能承受永久变形的能力称为材料的塑性。材料的塑性通常用断面抗缩率和延伸率表示。材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性8.脆性与韧性9.硬度硬度是材料抵抗其它物体压入自己表面的能力，反映出材料局部塑性变形的能力。可采用钢球或金刚石的尖端压入各种材料的表面，通过测定压痕深度来测定材料的硬度，或者通过测定材料上下落重锤的回弹高度来评定材料的硬度。材料所受外力达到一定限度后，突然破坏而无明显变形的这种性质称为材料的脆性。材料在冲击载荷或振动载荷下能承受很大的变形而不致破坏的性能称为材料的韧性。材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性材料的工艺性是指材料适应各种工艺处理要求的能力，材料的工艺性包括材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺。1.材料的成型加工不同的材料有不同的成型加工方法，工艺方法与工艺水平的直接影响着产品最终效果。材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性（a)为铸造成型；(b)采用厚钢板焊接成型；(c)采用薄钢板弯折成型(为了增加结构强度，在构件上焊接一块加强板)。材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性①表面处理的目的：保护和美化产品表面处理技术，既可使相同材料具有不同的感觉特性(同材异感)又可使不同材料获得相同的感觉特性(异材同质感)。2.材料的表面处理材料的分类及特征第一章五、材料的分类六、材料的一般性质七、材料的工艺特性八、设计材料的特性②表面处理类型：设计中所采用的表面处理技术，一般可分为三类。分类处理目的处理方法和技术表面加工有平滑性和光泽，形成凹凸花纹机械方法，化学方法（切削、研磨、蚀刻、喷砂、抛光）表面层改质有腐蚀性