产品造型材料与工艺

3.2.7 金属的缺点 ◇抗氧化、抗腐蚀能力差
◇成本高
材料价格高 加工成本高 可持续性较差
3.3 常用金属材料特性
3.3.1 钢铁
钢铁是最广泛使用的金属材料，其产量占金属材料总 量的90%，主要由于它价格低廉、品种多样、加工性能好。
◇钢 按照化学成分，我们可以将钢分为碳素钢和合金钢两
大类。
低碳钢 碳素钢 中碳钢
铸造用铝合金：适合铸造成型，用于铸造形状复杂、承 载不大、重量较轻且具有一定耐蚀、耐热要求的铸件。 延展用铝合金：塑性好，延展性好，适合卷边、冲压、 挤出等压力加工方法成型各种容器、壳体等。
铝合金应用：
◇青铜铝（含铝4％～15％），该合金具有高强度的耐蚀 性，常用于珠宝饰物和建筑工业中，制造机器的零件和工 具，用于与稀硫酸、盐酸和氢氟酸接触的设备；制作电焊 机电刷和夹柄；重型齿轮和涡轮，金属成型模、机床导轨、 不发生火花的工具、压力容器、热交换器、船舶螺旋桨和 锚等。
主要内容
第一章 概论 第二章 材料基础知识 第三章 金属 第四章 塑料 第五章 木材 第六章 玻璃 第七章 竹藤 第八章 纸
第一章 概论 1.1 材料发展与设计创新
纵观人类的发展史，很多时代都是以材料的名称进行 命名，“石器时代”、“青铜器时代”……体现了材料在 人类发展史上的重要作用。材料技术的进步是导致设计变 革的重要因素。
◇工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。
◇特殊性能钢：a.不锈耐酸钢b.耐热钢包括抗氧化钢、热强 钢、气阀钢c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工 用钢
◇专业用钢——如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容 器用钢、农机用钢等。
◇ 铸铁 是指铸造用生铁，使用历史悠久，应用广泛，生产
2.3.2 化学特性 指材料在各种温度、压力、光、电、磁、生物等条
件下对各种介质的化学反应特性及自身可能发生的化学 变化特性。
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2.3.3 力学特性
指材料对外力所导致的弹性变形、塑性变形、硬物压 入甚至断裂破坏的抵抗能力，是选用材料的重要依据，直 接关系到产品设计的形态稳定性、使用可靠性和安全性。
◇铝镁合金，其硬度比纯的镁和铝都大许多，而且保留了 其质轻的特点，常用于制造飞机的机身，火箭的箭体；制 造门窗、美化居室环境；制造船舶。
◇ 铝材的品种及规格
3.3.3 铜及其合金
铜及其合金是人类应用最久的一种有色金属，其色 泽美观，装饰性强，具有优良的导电性、导热性、耐腐 蚀性，有一定的机械强度和良好的加工工艺性。
3.2.5 优良的成型性
在制造和加工性能方面，金属材料的工艺性最好， 加工方法多种多样。主要包括：铸造、锻造、冲压、焊 接、切削加工等。
3.2.6 丰富的人文特性 金属材料是高品质的象征，始终与高科技联系在一
起，给人以神秘、变幻、技术的感觉，因此成为现代的 符号。
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富有技术感的现代汽车设计
◇ 纯铜 玫瑰红色，表面氧化后生成氧化铜薄膜，呈紫红色，
故又称紫铜。良好的塑性，可延展成极薄的铜箔，拉制出 极细的铜丝，但不宜作结构材料。
◇ 铜合金 根据合金元素的不同，通常将铜合金分为黄铜、青铜
和白铜。
黄铜：合金元素为锌，色泽美观，呈金黄色，铸造性能好。
青铜：合金元素为锡，呈青灰色，具有很强的抗蚀能力，耐 磨性好。含锡量低的塑性好，适合压力加工；含锡量高的铸 造性能好，适合铸造成型。
加工材料
金属、陶瓷、玻璃
智能材料
记忆合金
合成材料
合成树脂、合成纤维
复合材料
合金、玻璃钢
2.3 材料特性
材料在使用及加工过程中所体现出来的性能，是设 计创新、设计可行性及材料选择的重要依据。
2.3.1 物理特性
包括密度、透明性、导电性、导热性、热胀性、磁性、 可燃性等，是实现或阻绝各种物理现象的重要依据，如漂 浮现象、折射现象等。
第三章 金属
3.1 金属材料 金属材料一般是指工业应用中的金属或合金,一般分为黑
色金属和有色金属两大类。工程师根据它们的机械和物理性 能给出了这样的定义：金属能够导热导电、质地坚硬、强度 高、可以放置较长时间、化学性能稳定、不透明。
目前广泛应用的金属材料有：
钢铁及其合金、铝及其合金、铜及其合金、钛及其合金、 镁及其合金、粉末合金及金、银等贵金属。
提出方案
设计师缺乏工程技
工程师论证
术知识，导致功能 不能实现……
？ 改变设计初衷， 修改
面目全非……
？ 与工程师交流合作
困难……
实物制作
材料与工艺对产品形态和表面质量影响最大，因此 创造一个外形的过程，隐含着设计师也同时选择了材料 和加工工艺。使用什么材料？用什么工艺？达到什么形 式效果？
工业设计师有必要对工程技术的结构体系、 基本概念、
无机材料
硅酸盐、玻璃
◇按材料的形态可分为：一次元材料、二次元材料和三 次元材料。
二次元材料 薄膜、箔、板
按材料的 形态分类
一次元材料
线、杆、棒、型材
三次元材料
原木、铝锭
◇按材料的发展历史可分为：天然材料、加工材料、合 成材料、复合材料、智能材料和纳米材料等。
矿石、水、植物根茎等
天然材料
纳米材料
按材料发展 历史分类
3.2 金属的基本特性 3.2.1 优良的力学性能 强度、硬度较高；弹性、塑性、韧性、刚度良好。
3.2.2 独特的物理性能
◇ 密度较大 ◇ 优异的导电性、导热性 ◇ 神奇的磁性 ◇ 特有的色泽 ◇ 优美的音质
散发诱人金属光泽的Tiffany奢侈男士礼品
金银项链
铜制饰品
能敲击出动听音乐的编钟
高碳钢
低合金钢 合金钢 中合金钢
高合金钢
按特性和用途又可分为：
◇建筑及工程用钢：a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢； c.钢筋钢。
◇结构钢a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结 构钢：包括渗碳钢、氨钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢； (d)冷塑性成形用钢。 b.弹簧钢 c.轴承钢
Charles and Ray Emaes 层压板成型实验作品
材料技术发展 层压板
弯曲钢管
新的设计探索
新材料
新特性
结构形态、色彩 肌理上的变化
新的设计造型
1.2 与工业设计紧密相关的工程技术
与工业设计 紧密相关的 工程技术
机械与动 力工程学
材料科学 与工程学
工程师
vs
工业设计师
工程师们从各自的 专业领域出发研究 和解决所遇到的材 料、制造、机构等 问题
产品造型材料与工艺
课程目的
通过学习产品造型设计中常用材料的性质和加工方 法，使学生具备相关的材料与工艺知识，了解材料的基 本性能，会应用所学知识在实际设计中选择恰当的材料 使产品具有美感，同时具备制订加工工艺的能力。
课程意义
◇材料是设计的物质基础和载体； ◇材料是设计师创新设计的着眼点之一； ◇材料和工艺是产品设计的物质技术条件，是实现产品设 计的必要条件。
——《产品设计工程基础》
利用光与影设计的灯具
Lightouch2007金奖 作品：“1296”灯
利用磁场设计的调味料瓶
曲别针盒子
2.2 材料的分类
◇按材料的化学结构分类，可分为：金属材料、无机材料、 有机材料和复合材料。
复合材料
碳素纤维、层压板
金属材料
钢铁、铜、金
按化学结 构分类
有机材料
塑料、橡胶
◇新能源材料 ◇先进复合材料 ◇智能材料 ◇新型功能材料 ◇先进陶瓷材料
在生活中你见过哪些特别的材料应用实例？
用鹅卵石做成的工艺品 用螺钉等零件做的人物造型 丝袜假花 贝壳笔筒 蒲团 丝瓜洗碗刷 海螺首饰 水床 水幕电影 纸质存钱罐 骨头工艺品 纸拖鞋 草编的动物造型 竹杯 橄榄子雕刻的十八罗汉像 塑料盆景 珠子门帘 竹编衣柜 根雕 藤编包装 冰雕 软质塑料扇页 纸揉搓制成的灯罩 仿真食物 沙子黏结成的相框 布质闹钟 纸窗帘 橡胶键盘 铁丝椅 麻绳做的灯 皮革制成的花瓶 纸板做的防 震帐篷 用丝袜做的坐垫 木制折叠衣架 鱼鳞做的 扇子 水葫芦杆编织的家具 石头做的乐器 矿泉水 瓶子的瓶口做的挂钩 种子做的台灯 乒乓球椅子
◇ 纯铝
银白色轻金属，优异的导电性、导热性、延展性； 易切削，反射率高，铸造性能差，硬度、强度低。可拉 成细丝和轧成箔片，大量用于制造电线、电缆、无线电 工业以及包装业。工业上常用铝制造各种热交换器、散 热材料等，家庭使用的许多炊具也由铝制成。
◇ 铝合金
铝合金分为铸造用铝合金和延展用铝合金两大类， 前者适合于铸造成型，后者适合锻造、压延和挤压成型。
工艺简单，价格低廉，具有良好的铸造性能、切削性能 及耐磨性和减震性。 1.灰口铸铁：用于汽车发动机汽缸、齿轮、调速器、刹 车盘以及大型机床底座，具有极好的抗疲劳性和减震性， 具有很高的抗压强度。
灰口铸铁
2.球墨铸铁：常用于机轴和重型齿轮等，减震性比灰口 铸铁差，但刚性、强度以及抗冲击性强。
3.可锻铸铁：用于汽车及铁路车辆的重型轴承表面，延 展性和加工性较强。
◇强度与比强度
强度是衡量材料在外力作用下抵抗破坏的能力大小 的参数，主要包括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗 剪强度。
比强度是材料强度与比重的比值，即获得同样的强 度所需材料的重量。
◇塑性与弹性
塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的 特性；弹性是指物体在外力作用下发生形变，当外力撤消 后能恢复原来大小和形状的性质。
2.4 材料的发展方向
材料是当前世界新技术革命的三大支柱（材料、信 息、能源）之一，是高技术产业的先导和基础，对设计 的未来发展具有重要影响。
2.4.1 新材料的界定
新材料是指那些新出现或已在发展中的、具有传统 材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。
2.4.2 新材料简介
◇电子信息材料 ◇纳米材料 ◇生态环境材料 ◇高性能结构材料 ◇新型建筑材料
如：钛合金
2.3.6 环境协调性
指具有良好使用性能、对资源和能源消耗少、对生 态环境污染小，可再生利用率高，在材料的制备、使用、 废弃整个过程中的性质。
◇生物降解材料 ◇可循环或再生材料 ◇净化材料 ◇绿色能源材料
2.3.7 人文特性 指材料受地域文化及个人经验的影响，与人的生理
感觉、心理感知相关的特性。
如：材料的质地、纹理、冷暖、软硬、轻重、雅俗……
材料的冷暖、轻重
◇材料的触觉特性：通过人的手和皮肤触及材料而感知 材料的表面特性，是人们感知和体验材料的主要感受。
TAG CUP杯子
◇材料的视觉特性是靠眼睛的视觉来感知的材料表面特 征，是材料被视觉感受后经过大脑处理形成的一种对材 料表面特征的感觉和映像。
◇硬度
材料抵抗其它物体压入自身表面的能力称为硬度，硬 度高的材料表面耐磨性好，耐划伤能力强。
2.3.4 加工工艺特性 指材料适应各种加工和工艺处理要求，最终成为目
标制品的能力，以及材料在加工成型过程中所表现出来 的特性。
快速成型
2.3.5 经济特性
指材料经济性指标，包括材料价格、加工成本等。 在产品设计过程中，产品成本的影响因素除材料本身的 价格外，材料的加工工艺性对成本有巨大影响。
球墨铸铁
可锻铸铁
4.蠕墨铸铁：兼有球墨铸铁和灰口铸铁模、 汽车发动机、排气管、玻璃模具、柴油机缸盖、制动零 件等方面的应用均取得了良好的效果。
蠕墨铸铁
◇ 钢铁材料的供应状态 钢锭 钢管
钢板
不锈钢型材
3.3.2 铝及其合金
铝及其合金是工业中用量最大的有色金属，具有优异 的物理、力学和成型及表面工艺性能，广泛用作工程结构 材料和重要的造型材料。
白铜：以镍为合金元素，色白，质软，耐蚀性好。
铜及其合金的用途：
◇铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，占总消费量 一半以上。用于各种电缆和导线，电机和变压器的绕阻， 开关以及印刷线路板等。
3.2.3 热处理性能 金属材料在固态下通过适当的加热、保温和冷却，可
以调整其内部组织结构，从而改善材料性能。 根据热处理中温度、时间及温度随时间的变化速度不
同将热处理工序分为退火、正火、淬火和回火四种。
不锈钢退火
3.2.4 多种表面加工工艺
为防止金属的腐蚀破坏，有多种表面处理方法对金 属制品表面进行保护，主要有喷漆、电镀、氧化等涂镀 方法。
基本原理、 基本方法进行学习研究！
第二章 材料基础知识
2.1 材料的概念
材料是自原料中取得的，为生产半成品、工件、部 件和成品的初始物料，如金属、石块、皮革、塑料、纸 天然纤维和化学纤维等。
——《迈尔新百科全书》
材料是构成设计对象的所有组成物质。可以是石、 木、金属等有形物质，也可以是光、影、空气、烟雾甚 至是磁场，人类意识以外的所有物质都可以作为设计材 料。