材料工藝學(xué)（第八章）課件

材料工藝學(xué)第八章1材料工藝學(xué)第八章1第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法

8－1產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程與選材

8－2選擇材料的因素

8－3材料清單

2第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8－1產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程與選材產(chǎn)品功能與造型的實(shí)現(xiàn)是由材料和由材料所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)決定的。材料和結(jié)構(gòu)是構(gòu)成產(chǎn)品的功能與造型的中介要素。

在材料和結(jié)構(gòu)之間存在著比較確定的關(guān)系，而結(jié)構(gòu)與功能之間卻是一種不確定的關(guān)系，從而材料與功能之間也具有不確定關(guān)系。3第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8－1產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程與選材3第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法為了實(shí)現(xiàn)同一功能，我們可以使用多種材料，而每一種材料都可以形成合理結(jié)構(gòu)而完成所要達(dá)到的功能，從而產(chǎn)生相應(yīng)的造型形式。例如：木制椅子和鋼管結(jié)構(gòu)椅子，雖然它們的材料、結(jié)構(gòu)和造型都不同，但它們卻實(shí)現(xiàn)著相同的功能。這種“功能”、“造型”和“材料”之間的不確定關(guān)系，形成了豐富多彩的人造世界。

然而，由于產(chǎn)品的形成，必須通過(guò)各種加工手段來(lái)制造，所以制造技術(shù)同樣制約著產(chǎn)品的功能與形態(tài)。不同的材料有著不同的特性和結(jié)構(gòu)，有著各自不同的加工方法，從而也還有著不同的造型特征。工業(yè)設(shè)計(jì)師必須懂得這些方法，才能更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)。4第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法為了實(shí)現(xiàn)同一功能，我們第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法德國(guó)建筑學(xué)家密斯，被人們稱(chēng)為鐵和玻璃的詩(shī)人。他能賦予材料生命和美，并且，他也善于處理這些材料的價(jià)值系統(tǒng)，使其表達(dá)材料的質(zhì)感和趣味。他強(qiáng)調(diào)說(shuō)“所有的材料，不管是人工的還是自然的都有其本身的性格。材料及構(gòu)造方法不一定是最上等的。材料的價(jià)值只在于用這些材料能否制造出什么新的東西來(lái)?！彼巡牧系膬r(jià)值充分地表現(xiàn)于他的性格之中。要達(dá)到這個(gè)目的，就要有關(guān)于材料科學(xué)的淵博知識(shí)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的選材階段，沒(méi)有任何公式設(shè)計(jì)或計(jì)算機(jī)程序可以正確地選擇材料。所以，要求設(shè)計(jì)人員必須了解各種材料體系及其優(yōu)缺點(diǎn)，然后采用一定的方法，根據(jù)這些知識(shí)對(duì)材料作出選擇。從以下幾個(gè)方面來(lái)歸納產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過(guò)程：

5第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法德國(guó)建筑學(xué)家密斯，被第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．1．1產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段主要考慮以下問(wèn)題：①是否符合所有的技術(shù)要求；②整個(gè)項(xiàng)目是否在價(jià)格允許的范圍內(nèi)；③所要求的速度和生產(chǎn)率以及外觀造型是否達(dá)到。6第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．1．1產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段6第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8.1.2樣機(jī)（模型、手板）畫(huà)裝配圖以便檢驗(yàn)畫(huà)在紙上的設(shè)計(jì)制圖是否合適。根據(jù)零件的要求，就可具體設(shè)計(jì)零件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，材料選擇是這一階段的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在圖中必須表明零件的形狀、尺寸、材料、合適的處理或特殊工序。8.1.3裝配、調(diào)試、投入使用

這一階段所選用的材料，通過(guò)調(diào)試不能使用的，就應(yīng)以新材料代替。7第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8.1.2樣機(jī)（模型、手889910101111121213131414151516161717第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8－2選擇材料的因素

設(shè)計(jì)是一種復(fù)雜的行為，涉及了設(shè)計(jì)師主觀與客觀、感性與理性的判斷。與設(shè)計(jì)的其他方面相比，材料的選擇是最基本的，它提供了設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程從某個(gè)角度來(lái)說(shuō)是對(duì)材料的理解與認(rèn)識(shí)的過(guò)程，是“造物”與‘創(chuàng)新”的過(guò)程。當(dāng)設(shè)計(jì)師在選擇材料時(shí)，除必須考慮包括機(jī)械性質(zhì)在內(nèi)的材料的工程性質(zhì)之外，還必須著眼于材料與人／機(jī)交互界面有著特殊利害關(guān)系的性質(zhì)，必須考慮其與周?chē)h(huán)境的有機(jī)聯(lián)系，同時(shí)還包括防止環(huán)境污染和非再生資源的濫用等問(wèn)題。18第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8－2選擇材料的因素18第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．2．1功能性因素?zé)o論何種產(chǎn)品，都必須首先考慮產(chǎn)品應(yīng)具有怎樣的功能和所期望的使用壽命。這種考慮必定會(huì)對(duì)其選用何種材料更合適作出總的指導(dǎo)。

如何綜合平衡設(shè)計(jì)中對(duì)產(chǎn)品的工程、人機(jī)工程學(xué)和美學(xué)方面的要求，以及針對(duì)批量生產(chǎn)特點(diǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、加工工藝難點(diǎn)和由此產(chǎn)生的成本等問(wèn)題來(lái)加以解決，已成為材料選擇中的主要問(wèn)題。當(dāng)然，與其他性質(zhì)相比，材料的耐久性應(yīng)該是在材料功能性因素的選擇中必須最先考慮的問(wèn)題。19第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．2．1功能性因素19第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法

1．安全性能

安全是最基本的因素。材料的選擇應(yīng)當(dāng)按照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)正確選用，并充分考慮各種可能預(yù)見(jiàn)的危險(xiǎn)。例如，醫(yī)院的某些電療設(shè)備中與病人接觸的部位，其表面應(yīng)該選擇具有抗靜電性質(zhì)的材料；在設(shè)備暴露的位置（如過(guò)道邊）配置普通的平板玻璃，就易于碰撞碎裂而造成人身傷害事故；在設(shè)備內(nèi)部如果選用易泛潮的塑料軸承，就會(huì)因隱匿著腐蝕的危險(xiǎn)性造成質(zhì)量惡化而導(dǎo)致重要的控制器失靈。

20第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法1．安全性能第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法

2．外觀需求

產(chǎn)品的外觀在很大程度上受其可見(jiàn)表面的影響，并采取材料所能允許結(jié)構(gòu)形式。因此，外觀也是材料選擇必須考慮的一個(gè)重要因素。就產(chǎn)品的表面效果來(lái)看，材料影響著表面的自然光澤、反射率與紋理；影響著所能采用的表面涂飾材料與方式；影響著涂飾的外觀效果和在使用期限內(nèi)的惡化程度和惡化速度。至于形成外觀所需采取的制造工藝和手段，如澆鑄、模鑄、沖壓、彎折或切削，也在很大程度上依賴(lài)于所采用的材料，并影響到造型在經(jīng)濟(jì)上是否切實(shí)可行。

21第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法2．外觀需求第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法

3．工藝性能

材料所要求的工藝性與零部件制造的加工工藝路線有密切關(guān)系。一般金屬材料的加工工藝路線，比工程塑料和工業(yè)陶瓷復(fù)雜，而且變化多，這不僅影響零部件的成型，還大大影響零部件的最終性能。工程塑料的工藝路線比較簡(jiǎn)單，其中變化較多的是成型工藝。工業(yè)陶瓷的工藝路線也比較簡(jiǎn)單，成型后，幾乎不用進(jìn)行其他任何加工。任何零件都是由不同的材料通過(guò)一定的加工工藝制造出來(lái)的，因此，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師掌握工業(yè)造型材料的制造性能是很重要的。

22第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法3．工藝性能第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法（1）機(jī)械性能

對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品材料，最重要的是機(jī)械性能，一般是在分析產(chǎn)品零部件工作條件和失效形式的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。產(chǎn)品零部件的工作條件包括三個(gè)方面：

①受力狀況，主要是載荷的類(lèi)型（例如動(dòng)載、靜載、循環(huán)載荷、單位載荷等）和大小，還有載荷的形式，例如拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等以及載荷的特點(diǎn)，例如均布載荷、集中載荷等。

②環(huán)境狀況，主要是溫度情況，例如低溫、常溫、高溫、變溫等；以及介質(zhì)情況，例如有無(wú)腐蝕和磨擦作用等。

③特殊要求，主要是對(duì)導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀等的特殊要求。零部件的失效形式主要包括過(guò)量變形、斷裂和表面損傷三個(gè)方面

23第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法（1）機(jī)械性能第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法（2）物理性能

材料物理性能的指標(biāo)很多。有時(shí)塑料部件可能需要特定的可燃性。熱膨脹系數(shù)是一個(gè)常常被忘卻的物理性能。但當(dāng)不同材料緊固在一起并受熱時(shí)，這種性能是重要的。選擇材料時(shí)，應(yīng)考慮材料的許多物理性能，確定有沒(méi)有限制。有時(shí)，相對(duì)次要的性能可能變成重要的，此時(shí)對(duì)這種性能需要仔細(xì)考慮。

（3）化學(xué)性能

對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品材料，最重要的化學(xué)性能之一是抵抗環(huán)境作用的能力，如抗化學(xué)腐蝕、銹蝕等，除耐腐蝕性外，材料的化學(xué)成分也是一個(gè)重要的選擇因素。含鈷的合金不能用作原子能反應(yīng)堆零部件的材料。銅、鋅和鉛合金膠接性能不好，許多塑料亦有同樣的情況。

24第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法（2）物理性能24第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法（4）尺寸性能

設(shè)計(jì)師必須確定對(duì)公差和表面粗糙度的要求指數(shù)，如果需要非常小的公差，尺寸性能就成為一個(gè)選擇的因素。一些工程材料在機(jī)械加工時(shí)，比其他一些材料穩(wěn)定，如果考慮采用塑料，最好選擇能吸水而不易變形的塑料。如果零部件要求鏡面拋光，則鏡面拋光成了一個(gè)材料選擇的重要因素。因?yàn)橛行┎牧细静荒茏龅界R面拋光所要求的表面粗糙度。25第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法（4）尺寸性能25第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．2．2市場(chǎng)性因素設(shè)計(jì)者必須對(duì)目標(biāo)消費(fèi)群的要求進(jìn)行估價(jià)。對(duì)于材料，要考慮到消費(fèi)者會(huì)受到日常接觸的各類(lèi)產(chǎn)品的影響。消費(fèi)者有時(shí)所期望的材料也許恰恰是設(shè)計(jì)者并不準(zhǔn)備采用的而且消費(fèi)者對(duì)某些產(chǎn)品所選用的材料有時(shí)還受到傳統(tǒng)習(xí)慣的束縛。這時(shí)，一種“新材料”的選用，在一定時(shí)期內(nèi)未必會(huì)被消費(fèi)者接受。當(dāng)然，這并不等于說(shuō)產(chǎn)品選用的材料就必須永遠(yuǎn)停滯在傳統(tǒng)的水平上。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)是勢(shì)所必然。問(wèn)題在于當(dāng)我們選擇新材料替代傳統(tǒng)材料時(shí)，如何在造型設(shè)計(jì)上讓消費(fèi)者能夠更快地適應(yīng)和接受。這也是工業(yè)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。26第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．2．2市場(chǎng)性因素26第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法1．可達(dá)性

在最初考慮使用某種材料時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)首先了解手邊有沒(méi)有這種材料。如果沒(méi)有，那就看能否在規(guī)定期限內(nèi)得到。如果產(chǎn)品要在數(shù)年后再制造，那么采用只從一個(gè)供應(yīng)廠商才能得到的專(zhuān)用材料是不明智的，會(huì)使在價(jià)格和供應(yīng)量上完全受供應(yīng)廠商的控制。另外，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不能獲得所需的材料，就必須考慮用另一種材料代替。因此可達(dá)性是工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)選材的重要因素。在工業(yè)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)與外觀造型密切相關(guān)，不同的結(jié)構(gòu)方式對(duì)產(chǎn)品造型的布局和細(xì)部處理都有直接的影響。而結(jié)構(gòu)是受材料制約的，采用不同的材料，所能獲得的結(jié)構(gòu)方式以及由此而產(chǎn)生的產(chǎn)品形體各不相同，質(zhì)感各異。

27第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法1．可達(dá)性第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法只有正確合理地選用了與產(chǎn)品造型風(fēng)格和功能要求相適應(yīng)的材料，才能獲得所需的藝術(shù)造型效果。在工業(yè)設(shè)計(jì)中，首先要合理地選取造型材料，再按照材料具有的特點(diǎn)，去塑造產(chǎn)品的的藝術(shù)外形，也可以首先按藝術(shù)造型所需要的結(jié)構(gòu)和外觀形狀去選擇材料。這兩種選擇材料的方法都需要兼顧考慮。

28第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法只有正確合理地選用了第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法2．經(jīng)濟(jì)性

選擇材料的經(jīng)濟(jì)性始終是工業(yè)造型設(shè)計(jì)中十分重要的內(nèi)容。在滿足使用要求、藝術(shù)造型、工藝和可達(dá)性的同時(shí)，盡可能選用價(jià)廉的材料，最好選用國(guó)產(chǎn)材料，使總成本降至最低，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益，使產(chǎn)品在市場(chǎng)上具有最強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

29第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法2．經(jīng)濟(jì)性第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法（1）材料價(jià)格

市場(chǎng)上材料的價(jià)格是選材的重要依據(jù)。對(duì)于一種批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，如果可用工程塑料、工業(yè)陶瓷或金屬，甚至復(fù)合材料來(lái)制造，那么，比較材料價(jià)格的一個(gè)有益的方法是考察一下每單位體積的價(jià)格。（2）使用壽命

如果所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品其使用壽命是經(jīng)久耐用的，那么選用具有高強(qiáng)度和耐磨性好的材料，或采用具有對(duì)產(chǎn)品延長(zhǎng)壽命作用的其他性能的材料就是經(jīng)濟(jì)的。因此，選擇材料時(shí)，設(shè)計(jì)師必須運(yùn)用他的判斷力，確定產(chǎn)品的使用壽命。

30第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法（1）材料價(jià)格30第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法（3）制造性能

制造性能即是指將工業(yè)造型材料加工成所需形狀難易程度的性能指標(biāo)，如果材料的成型加工性能很差，則其制造費(fèi)用會(huì)比成型加工性能好的材料高。鈦、鎂及一些其他金屬的板材和帶材，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的機(jī)器或?qū)Ｓ玫臒岢尚图夹g(shù)是不能成型的，因而，使用這些金屬時(shí)，比使用延展性好的低碳鋼或鋁合金要貴得多。制造費(fèi)用對(duì)于工程塑料是一個(gè)經(jīng)濟(jì)性因素，批量大才能體現(xiàn)出來(lái)。（4）零部件的總成本

零部件選用的材料必須保證它的生產(chǎn)和使用的總成本最低。一個(gè)零部件的總成本與零部件壽命、零部件重量、加工費(fèi)用、研究費(fèi)用、維修費(fèi)用和材料價(jià)格有關(guān)。31第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法（3）制造性能31第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．2．3環(huán)境性因素隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，人類(lèi)居住的環(huán)境遭到濫用和破壞。如何減少環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，也成為設(shè)計(jì)時(shí)選用材料必須考慮的重要因素。產(chǎn)品對(duì)環(huán)境保護(hù)的威脅之一是產(chǎn)品廢棄物的堆積會(huì)給環(huán)境造成污染。為此，在材料選擇時(shí)必須事先就考慮到產(chǎn)品未來(lái)被廢棄時(shí)應(yīng)易于處理和回收。所以，應(yīng)考慮到下列幾點(diǎn)。32第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．2．3環(huán)境性因素32第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法1．選用同類(lèi)材料

設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)盡量采用同類(lèi)材料，避免多種不同材料，以便產(chǎn)品回收和再利用。2．減少表面裝飾

用表面不加任何涂、鍍的原材料直接制成產(chǎn)品，便于回爐處理和再利用的目的。3．采用可降解材料

4．廢棄物的再利用

33第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法1．選用同類(lèi)第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法除了構(gòu)成產(chǎn)品的材料本身對(duì)環(huán)境的影響外，產(chǎn)品的材料也必然受到環(huán)境的影響。因此，在材料的選擇中，必須對(duì)產(chǎn)品使用環(huán)境中可能存在的影響因素作必要的考慮。影響材料選擇的環(huán)境因素通常包括以下幾個(gè)方面。

l）沖擊與振動(dòng)2）溫度與濕度3）人為破壞

4）火災(zāi)危害5）生物危害

6）污損

7）氣候影響

8）噪聲34第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法除了構(gòu)成產(chǎn)品的材料本第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8-3材料清單

8．3．1制定選擇因素表把圖8－3的材料選擇一覽表作為清單用，便得到選擇因素表，設(shè)計(jì)師簡(jiǎn)單地按清單逐項(xiàng)過(guò)一遍，并注意所適用的性能。其他性能還可以增加，或者也可以由設(shè)計(jì)師確定自己的性能清單。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師可以不寫(xiě)出清單，因?yàn)樗麄円咽煜ち诉x擇材料的因素。35第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8-3材料清單35第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．3．2選擇材料系明確了某一零部件的材料選擇因素后，接著就是考慮選擇材料系，是選用金屬材料、工程塑料、工業(yè)陶瓷或是復(fù)合材料，可以通過(guò)各種材料系的相對(duì)性能的比較分析選擇到合適的材料系。8．3．3填入圖紙的材料方框中

設(shè)計(jì)師選擇了材料后，就把合適的材料規(guī)格填入圖紙的材料方框中36第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．3．2選擇材料系363737第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．3．4確定材料的處理通常對(duì)多種材料需要進(jìn)行處理，改善其性能，以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。前面介紹的金屬材料的熱處理和其他表面處理，以及第二篇將介紹的典型面飾工藝，如涂裝、電鍍、金屬氧化與著色、燙印等可以作為一個(gè)處理清單。最后就可能完成設(shè)計(jì)工程圖了。38第八章產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與選材方法8．3．4確定材料的處理MP3常用材質(zhì)

MP3結(jié)構(gòu)件常用材質(zhì)主要分為：1.塑料件：常用ABS.PC.ABS+PC.PMMA材質(zhì)特性部件成形工藝備注ABSABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，一種綜合性能十分良好的樹(shù)脂，無(wú)毒，在比較寬廣的溫度范圍內(nèi)具有較高的沖擊強(qiáng)度，尺寸穩(wěn)定性好，收縮率在0.4%-0.8%范圍內(nèi)。ABS具有良好的成型加工性，制品表面光潔度高，且具有良好的涂裝性和染色性，可電鍍成多種色澤。按鍵&外殼組件注塑成形常用材質(zhì)PCPC是一種無(wú)定型、無(wú)臭、無(wú)毒、高度透明的無(wú)色或微黃色熱塑性工程塑料，具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能，耐沖擊性?xún)?yōu)