工业设计专业《材料与工艺》2第二章、设计材料的分类与特性

强度实验：日本武士刀的强度实验.avi
金属的强度实验.avi
②弹性和塑性：
弹性指材料受外力作用而发生变 形，外力除去后能恢复原状的性能。 这一变形称为弹性变形； 塑性指在外力作用下产生变形， 当外力除去时，仍能保持变形后的 性能的形状，而不恢复原形的性能。 这一变形称为永久变形。
塑性一般用伸长率δ和断面收缩 率Ψ来表示： δ =[（L1-L0)/L0]*100% Ψ=[(S0-S1)/S0]*100%
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②涂层被覆：
涂层被覆技术是在制品表面形成以有机物为主体的膜层， 并干燥成膜的工艺。这是一种简单而又经济可行的表面装饰 方法，在工业上通常简称为涂装。
涂装的目的有三方面： 保护作用：防止制品表面受腐蚀、划伤和脏污，提高制品的耐久性； 装饰作用：将制品表面装饰成涂层所具有的色彩、光泽和肌理，使制品 在外观的视觉感受上成为美观悦目的制品； 特殊作用：使制品具有隔热、绝缘、耐水、耐辐射、杀菌、吸收雷达波、 隔音、导电等特殊功能。特别是通过涂装与其他表面处理技术相叠加的多 重处理，可获得能适应相当苛刻条件和使用环境的防护装饰涂层。
表面处理技术，既可使相同材料具有不同的感觉特性(同材异质 感)，又可使不同材料获得相同的感觉特性(异材同质感)，如图所示。
2 、表面处理类型
材料的表面性质和状态与表面处理技术有关，通过切削， 研磨、抛光、冲压、喷砂、蚀刻、涂饰、镀饰等不同的处理 工艺可获得不同的材料表面性质、肌理、色彩、光泽，使产 品具有精堪的工艺美、技术美和强烈的时代感。设计中所采 用的表面处理技术，一般可分为三类，如表所示。
④耐燃性：
⑤耐火性：
材料长期抵抗高热而不熔化的性能或称耐熔性。耐火材料还应 在高温下不变形、能承载。耐火材料按耐火度又分为耐火材料、难 熔材料和易熔材料三种。
4 电性能
材料传导电流的能力。通常用电导率来 ①导电性： 衡量导电性的 好坏。电导率大的材料导电 性能好。
②电绝缘性：
与导电性相反。通常用电阻率、介电 常数、击穿强度来表示。电阻率是电导率 的倒数，电阻率大，材料电绝缘性好；击 穿强度越大，材料电绝缘性越好；介电常 数愈小，材料电绝缘性愈好。
④硬度 ：
硬度是指材料表面抵抗塑性变形和破 坏的能力，材料硬度值随试验方式不同而 异。 测量硬度的方法主要有压入法和刻划 法。在机械制造中长采用的是压入法。 压入法常见的有三种方法，即布氏硬 度（HBW）、洛氏硬度（HR）和维氏硬 度（HV）。 其中布氏硬度的计算为： HBW=0.204F/πD(D-√D2-d2)
化学性能不变的性质。如玻璃、陶瓷的耐候 性好，塑料的耐候性差。
2.4 材料的工艺特性
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。
2.4.1材料的成型加工
造型设计中，材料在通过加工后，必须能构成并且能长期 “记忆”住设计所赋予它的应有形态，从而才能最终成为产品。 材料的成型加工性是衡量产品造型材料优劣的重要标志。
5 磁性能
磁性能是指金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能。 按磁化程度分为:
铁磁性材料
顺磁性材料 抗磁性材料 6 光性能
在外加磁场中，能强烈被磁化到很大程度，如铁、 钴、镍等。 在外加磁场中，只是被微弱磁化，如锰、铬、钼等。
能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的材料，如铜、金、 银、铅等。
材料对光的反射、透射、折射的性质。如材料 对光的透射率愈高，材料的透明度愈好；材料对光 的反射率高，材料的表面反光强，为高光材料。
第二章 设计材料的分类及特性
设计材料的 分类及特性
2.1 设计 材料的分类
2.2 材料特 性的评价
2.3 材料的 2.4 材料的 的固有特性 的工艺特性
2.1 设计材料的分类
2.1.1、按材料的来源分类
------不改变在自然界中所保持的状态，或只施加 第一代的天然材料 低度加工的材 料，如木材、竹、棉、毛、皮革、 石材等。 ------利用天然材料经不同程度的加工而得到的材 第二代的加工材料 料，加工程度从低到高，有：人造板、纸、水泥、 金属、陶瓷、玻璃等。
3．新工艺的采用
新工艺代替传统工艺是提高产品造型效果的有效途径。 为了提高质量，提高产品造型艺术效果，提高效率，造型设 计人员要不断的学习、应用和创造新工艺，才能设计和制造 出更新颖、更美观的产品。如：电火花加工、激光、超声波 加工等。
4 工艺方法的综合应用
运用多种工艺方法，是增加造型的外观变化，丰富造 型艺术效果的有效方法。造型设计中，要灵活运用多种加 工工艺手段，使造型充分表现材料本身的质地美，或使相 同的材料达到不同的质感效果，这样才能使造型的外观更 富于变化。 设计师虽然不直接动手参与材料的加工成型，但是必 须了解所设计的产品能够采用的加工成型技术。
相同的材料和结构方式，采用不同的工艺方法，所获得的 外观效果差异较大；同时，相同的造型，由于所选材料不同， 其结构也发生相应的变化，导致外观造型效果存在一定的差别。
2．工艺水平
材料、结构和工艺方法均相同，但由于工艺水平不同， 所获得的产品质量也不同。提高工艺水平是保证产品造型 效果的基本手段。
2.1.2、按材料的物质结构分类
2.1.3、按材料的形态分类
(1)线状材料
设计中常用的有钢管、钢丝、铝管、 金属棒、塑料管、塑料棒、木条、竹 条、藤条等。 设计中所用的板材有金属板、木板、塑 料板、合成板、金属网板、皮革、纺织 布、玻璃板、纸板等。 设计中常用的块材有木材、石材、泡沫 塑料、混凝工、铸钢、铸铁、铸铝、油 泥、石膏等。
2.3.2材料的化学性能
材料的化学性能指材料在常温或高温时抵抗各种介质 的化学或电化学侵蚀的能力，是衡量材料性能优劣的主要 质量指标。它主要包括耐腐蚀性、抗氧化性和耐候性等。
①耐腐蚀性：材料抵抗周围介质腐蚀破坏的能力。
②抗氧化性：材料在常温或高温时抵抗氧化作用的能力。 ③耐候性 ：材料在各种气候条件下，保持其物理性能和
③脆性和韧性：
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脆性指材料受外力作用达到一定限度后，产 生破坏而无明显变形的性能。脆性材料易受冲 击破坏，不能承受较高的局部应力； 韧性指材料在冲击荷重或振动荷载下能承 受很大的变形而不致破坏的性能。
夏比冲击实验是测定材料韧性最常用的方 法。在测定实验中材料在冲击载荷的作用下折 断时所吸收的功（AK）除以材料缺口横截面积 （S0）所得的商来表征材料的韧性。 即：ak=AK/S0
⑤耐磨性：
耐磨性的好坏常以磨损量作为衡量标准 的指标。磨损量越小，说明材料耐磨性 越好。
⑥疲劳强度：
疲劳强度是指材料在无数次循 环应力作用下仍不断裂的最大 应力，用以表现材料抗疲劳断 裂的能力。
3、 热性能
①导热性：
材料将热量从一侧表面传递到另一侧表面的能力，通常用导 热系数来表示。导热系数大，是热的良导体，如金属材料；导热 系数小，是热的绝缘体，如高分子材料。 材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力，通常用耐热温度来
从产品造型设计出发，表面处理的目的： 一是保护产品，即保护材料本身赋予产品表面的光泽、色彩、肌理等而呈现出的 外观美，并提高产品的耐用性，确保产品的安全性，由此有效地利用材料资源； 二是根据产品造型设计的意图，改变产品表面状态、赋予表面更丰富的色彩、光 泽、肌理等，提高表面装饰效果，改善表面的物理性能(光性能、热性能、电性能等)、 化学性能(防腐蚀、防污染、延长使用寿命)及生物学性能(防虫、防腐、防霉等)，使产 品表面有更好的感觉特性。
1 . 材料的密度
材料单位体积内所含的质量，即物质的质量与体 积之比。密度通常用符号ρ=Μ/ V (kg／m3)表示。 式中M为物质的质量，单位为kg；V为物质的体积， 单位为m3。
2 、 力学性能
①强度：
指材料在外力(载荷)作用下抵抗塑性变形和破坏作用 的能力。材料抵抗外力产生明显塑性变形的能力称为屈服 强度。强度是评定材料质量的重要力学性能指标，是设计 中选用材料的主要依据。由于外力作用方式不同，材料的 强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度等。 强度一般用单位面积上所受的力来表示，称为应力。 A、屈服点和屈服强度（ σs）：在外力作用下，材料 产生屈服现象的极限应力值。即σs=F S/S，单位是MPa。 B、抗拉强度（ σb)：材料在受力过程中，所能承受的 最大载荷Fb处对应的应力值。即σb=F b/S，单位是MPa。 C、比强度。即强度指标与材料密度的比值。 D、屈强比。材料的屈服强度和抗拉强度的比值，它 表征了材料强度潜力的发挥利用程度和其零件工作时的安 全程度。
2.4.2材料的表面处理
在产品造型设计时要根据产品的性能、使用环境、材料性质，正确选 择表面处理工艺和面饰材料、使材料的颜色、光泽、肌理及工艺特性与产 品的形态、内能、工作环境匹配适宜，以获得大方、美观的外观效果，给 人以美的感受。
1 表面处理的目的
表面处理技术是指采用诸如表面电镀、涂装、研磨、抛光、 覆贴等能改变材料表面性质与状态的表面加工与装饰技术。
(2)板状材料
(3)块状材料
板状材料——胶合板制作的凳子
块装材料——整块榉木制作的椅子
线状材料——金属丝制作的椅子
2.2 材料特性的评价
材料特性包括两方面：固有特性和派生特性
材料的物理特性和化学特性，如 力学性能、热性能、电磁性能、光 学性能和防腐性能等； 由材料的固有特性派生而来 的，即材料的加工特性、材 料的感觉特性和经济特性
这些特性 的综合效 应从某种 角度讲决 定着产品 的基本特 点。
材料所呈现出的性能是材料内部结构的外在表现，受 材料内部的微观结构所制约，这种内部结构只有用特殊的 方法才能被观察到，它的变化通过材料性能变化被人们所 感知，这就是我们对材料有“硬”与“软”、“脆”与 “韧”、对某种环境“敏感”与“不敏感”的感性认识。
(1)表面被覆
在原有材料表面堆积新物质的技术，依据被覆材 料和被覆处理方式的不同，表面被覆处理有镀层被覆、 有机涂层被覆、珐琅被覆等。
①镀层被覆：
镀层被覆技术能在制品表面形成具有金属特性的 镀层，金属镀层不仅能提高制品的耐蚀性和耐磨性， 而且能够增强制品表面的色彩、光泽和肌理的装饰效 果．因此能保护和美化表面，由于有优异的镀层，常 常使制品的品位和档次得到提高。 镀层被覆的金属有铜、镍、铬、铁，铝、金、银、 铂及其合金。镀层的颜色、色调和耐候性见下表。
成型加工工艺对设计效果的影响因素很多，主要从以下 几个方面反映出来。
1．工艺方法 不同的材料有不同的成型加工方法。
(1) 钢铁材料的成型加工工艺性能优良，而且成型方法很多，可 采用铸造、锻压、焊接、切削加工(如车、钻、镗、磨、铣、刨等) 等方法制造出许多机械设备和日用产品；
(2) 木材是一种优良的造型材料，用途极广。这是由于木 材具有易锯、易刨、易打孔、易组合等加工成型特性，加 之木材表面的纹理能给人以纯朴、自然、舒适的感觉； (3) 塑料制品的品种和数量日益增多，这不仅是由于塑料 的原料易得、性能优良(如重量轻、绝缘性好、耐腐蚀、耐 药品、有绝热性等)、表面富有装饰效果和不同质感，还因 为塑料的可塑性特别强，几乎可以采用任何方法自由加工 成形，塑造出几何形体非常复杂的产品，因而容易体现出 设计者的构思要求，已成为当代设计中不可缺少的重要设 计材料。
②耐热性： 表示。晶态材料以熔点温度为指标(如金属材料、晶态塑料)；非
晶态材料以转化温度为指标(如非晶态塑料、玻璃等)。
③热胀性：
材料由于温度变化产生膨胀或收缩的性能，通常用线膨胀系 数表示。热胀系数以高分子材料为最大，金属材料次之，陶瓷材 料最小。 材料对火焰和高温的抵抗性能。根据材料耐燃能力可分为不 燃材料和易燃材料。
第三代的合成材料
------利用化学合成方法将石油、天然气和煤等 原料制造而得的高分子材料，如塑料、橡胶、 纤维等。 ------用有机、无机非金属乃至金属等各种原材料 复合而成的材料。 ------随环境条件的变化具有应变能力，拥有潜 在功能的高级形式的复合材料。
第四代的复合材料 第五代的智能材料 或应变材料
材料特性的评价一般分为两部分进行：一为基础评价； 一为综合评价。
基础评价是以单一评价因素进行评价，而综合评价是 以组合的因素进行评价的，是复合的、动态的。如下图:
2.3 材料的固有特性
材料的固有特性是由材料本身的组成、结构 所决定的，是指材料在使用条件下表现出来的性 能，它受外界条件(即使用条件)的制约。 2.3.1材料的物理性能