材料工艺第2章0.pptx

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人类对材料及其工艺的认识和选用经历了一个从简单到复杂的进化过程。

在人类社会的早期，由于社会生产力水平低下和对材料的认识的局限，人们的设计造物活动仅限于对自然材料的简单加工，设计选材主要考虑满足生产生活的需要，如磨制石器、烧制陶器等等。

随着社会生产力的发展，阶级和国家出现了，人们的社会生活方式越来越复杂，造物活动也越来越丰富多彩，设计选材考虑的因素也更复杂。

比如奴隶主为了证明天赋神权及其统治的合理性，选用硬度高、易铸造、耐腐蚀的青铜来制作表面铸有巫教符号的“饕餮纹”或奴隶主阶级武功圣绩的器皿，其设计选材主要考虑的不再是满足生产生活的需要，而是满足统治阶级肯定自身、统治社会“协上下”、“承天休”的需要。

后来，冶铁技术出现并逐渐成熟，铁器比石器、青铜器更锋利、更坚硬，因此被广泛地用来的制造兵器、手工具和农具。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.1设计选材的“适应性”要求,到了明代，家具设计往往选用黄花梨、紫檀等优质硬木为材料，这与当时社会与经济发展的有重大关系。

明代和清代中期是中国封建社会发展的顶峰时期，出现了资本主义萌芽，商业高度发达。

明初郑和先后七次下南洋，打开了中国与东南亚及非洲的海上贸易通道，从非洲和东南亚地区输入大量制作家具所需的高档木材热带硬木（包括黄花梨、紫檀等）。

清代中期家具设计中常常采用镶嵌的工艺，镶嵌的材料包括木、牙、螺甸、琥珀、玛瑙、玉石等等，这与清代统治者从游牧民族到一统天下，追求华丽和富贵的世俗作风是分不开的。

可以看出，设计选材一直与材料技术、社会风气、流行趋势、经济水平等紧密关联并随着社会生活方式的多样化而呈现逐渐复杂的趋势。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.1设计选材的“适应性”要求,20世纪50年代以来，新材料的开发与利用已经获得突飞猛进的发展。

材料的品种越来越多，人们在设计选材中面临的选择也越来越多。

另外，由于材料和结构之间存在着比较确定的关系，而结构与功能之间却是一种不确定的关系，从而材料与功能之间也具有不确定关系。

也就是说，为了实现同一功能，我们可以使用多种材料，而每一种材料都可以形成合理结构而完成所要达到的功能，从而产生相应的造型形式。

例如：

木制椅子和钢管结构椅子，虽然它们的材料、结构和造型都不同，但它们却实现着相同的功能。

这种“功能”、“造型”和“材料”之间的不确定关系，一方面形成了丰富多彩的人造世界，另一方面却也使得设计选材复杂化。

正是由于社会生活方式与材料品种的多样化，以及材料与功能、造型之间的不确定性；导致了设计选材越来越成为一门复杂的系统工程。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.1设计选材的“适应性”要求,二、设计选材的“适应性”要求柳冠中先生在事理学论纲中提出“设计是以一定的目的，一定的方式来达到与客观条件和内部关系相适应的人为适应性系统。

设计的适应性系统的应用原则由系统的内部因素、外部因素和系统的目的三个要素构成。

”设计的适应性系统的成功与否，取决于系统内、外部因素的之间的相适应的程度。

以汽车为例，它是人类设计一个的独立的适应性系统，系统的目的是在人们的经济能力能够承受的情况下安全地完成运输任务或载人旅游。

系统的外部因素包括平坦的路面、大众能够承受的能源价位（如合理的油价）、完善的交通规则等，系统内部因素包括发动机、传动与制动装置、车轮等，只有内、外部因素相适应，系统的目的才能实现。

设计的适应性系统中人的行为主要由外部因素决定，同时也受到内部因素的制约，在内、外部因素之间寻找相适应，以实现设计的目的。

设计选材是设计的适应性系统中人的行为的一部分，也具有适应外界环境的特性。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.1设计选材的“适应性”要求南方的竹筏和黄河上的羊皮筏的选材异同是对原材料生长环境的主动适应（如图2-1、图2-2）；南方的竹床与北方的土炕的选材异同是对气候的主动适应；空调压缩机的选材是对高压环境的主动适应；电脑机箱外壳的选材是对屏蔽辐射的需求的主动适应在设计选材过程中，设计师总是在材料与工艺内部因素和外部因素之间寻找相适应的契合点，体现了设计选材的“适应性”要求。

图2-2羊皮筏,图2-1竹筏,材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,选材作为设计的适应性系统中人的行为的一部分，具有适应性。

在设计选材过程中，需要考察的因素包括如下两部分：

一、内部因素材料与工艺内部因素，包括材料的物理性能、机械性能、化学性能和工艺性能等。

为适合设计专业教学需要，剔除了材料的分子结构等内容。

（一）材料的物理性能密度密度是每立方厘米某种物质的质量。

密度越大，同等体积的物体越重。

导热性导热性是指材料传导热的能力。

导热性与隔热性是一对反义词。

比如铁的导热性好，而木材的导热性比较差（即隔热性比较好），如锅铲的柄一般采用木制的（如图2-3）。

图2-3铁锅和木柄勺子,材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,热膨胀大多数材料受热时膨胀，冷却时收缩。

导电性导电性是指材料传导电的能力。

根据导电能力的强弱，把材料分为导体、半导体和绝缘体。

光学性能材料的光学性能包括透明度、反射、折射等。

透明度：

材料的透明度是指可见光透过这种材料的程度。

反射：

光的反射是指光射到两种不同的介质时，便有部分光自介面射回原介质中的现象。

物体的颜色，就是靠其反射光来体现的。

折射：

光的折射是指光从一种介质斜射入另一种介质时,传播方向发生偏折的现象。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,

（二）材料的机械性能1强度,强度是材料受到力的作用时抵抗形变能力的量度。

（1）抗拉强度抗拉强度是指材料承受拉伸力（张力）,的能力。

在同等张力下发生形变较大的材料的抗拉强度较低。

如图2-4，材料B的抗拉强度比材料A低。

（2）抗压强度抗压强度是指材料承受压力的能力。

在同等压力下发生形变较大的材料的抗压强度较低。

如图2-5，材料A的抗压强度比材料B低。

图2-5抗压强度测试示意图,图2-4抗拉强度测试示意图,材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,（3）抗扭强度抗扭强度是指材料承受扭曲力（扭力）的能力。

在同等扭力下发生形变较大的材料的抗扭强度较低。

如图2-6，材料A的抗扭强度比材料B低。

2刚性刚性是材料抵抗弯曲形变的性能。

在同等作用力下弯曲变形较大的材料的刚性比较低。

如图2-7，材料A的刚性比材料B高。

图2-7刚性测试示意图,图2-6抗扭强度测试示意图,材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,3延展性物体在外力作用下能延伸成细丝而不断裂的性质叫延性；在外力（锤击或滚轧）作用能碾成薄片而不破裂的性质叫展性（如图2-8）。

如金属的延展性良好，其中金、铂、铜、银、钨、铝都有良好的延展性。

石英、玻璃等非金属材料在高温时也有一定的延展性。

一种延展性好的材料的抗拉强度性能一般。

图2-8延展性测试示意图,材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,脆性脆性材料是一种在很小形变或没有形变情况下就破碎的材料。

脆性材料在张力下会没有预示地突然断裂，而延展性材料总是在断裂之前先伸长（如图2-9）。

硬度材料的硬度是它承受刻划、切割或压印的能力。

如图2-10，材料B比材料A的硬度更加高。

图2-9材料脆性测试示意图,图2-10材料硬度测试示意图,材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,韧度这是断开一种材料所需能量多少的一种量度。

如图2-11所示，可以用“摆锤”的能量来比较不同材料的韧度。

材料B比材料A的韧性更好。

模量模量可以理解为是一种标准量或指标。

模量前面一般要加说明语，比如弹性模量、压缩模量、剪切模量等。

这些都是与变形有关的指标。

如弹性模量是指材料在弹性变形范围内，作用于材料上的应力与应变之比。

同样，压缩模量和剪切模量是指压应力（或剪切应力）与压缩应变（或剪切应变）之比。

图2-11韧度测试示意图,材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,8比强度与比模量比强度是材料的强度与材料密度的比值。

比模量是材料的模量与材料密度的比值。

比强度和比模量是材料承载能力的重要指标。

材料的比强度越高，具有同一强度的零件的重量越轻；材料比模量越高，零件的刚性越大。

（三）材料的化学性能工业材料最重要的化学性能是抵抗环境作用的能力，如耐腐蚀性、抗氧化性。

另外，材料的化学成分也是选材中需要考虑的因素之一。

比如，铜、锌和铅合金胶接性能不好，许多塑料也有同样的情况。

耐腐蚀性耐腐蚀性指材料抵抗各种介质侵蚀的能力。

抗氧化性抗氧化性指材料在高温下，抵抗氧化的能力。

（四）材料的尺寸性能设计师必须了解对公差和表面粗糙度的要求指数，如果需要非常小的公差，尺寸性能就成为一个影响选材的因素。

比如零部件要求镜面抛光，则镜面抛光就成了材料选择的重要因素。

因为有些材料根本做不到镜面抛光所要求的表面粗糙度。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,（五）材料的工艺性能,工艺性能是指将材料加工成所需形状难易程度的性能指标。

比如，钛、镁等金属的板材和带材，没有专门的机器或专用的热成型技术是不能成型的因而，使用这些金属时，比使用延展性好的低碳钢或铝合金要贵得多。

材料工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。

所以选材时必须充分考虑工艺性能。

材料的工艺性能主要包括：

铸造性铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力。

可锻性可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能。

可锻性好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。

可焊性可焊性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。

低碳钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。

某些工程塑料也有良好的可焊性，但与金属的焊接机制及工艺方法并不相同。

切削加工性切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能。

它与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。

切削加工性好的材料切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。

金属和塑料相比，切削工艺有不同的要求。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,二、外部因素外部因素包括产品的功能需求、安全性、外观需求、市场因素（材料可达性、成本、社会流行趋势）、国家相关政策法规、环境因素等。

（一）功能需求产品都具有一定的功能，材料作为产品的物质载体，在实现产品功能方面发挥着重要的作用。

比如电饭锅的跳键功能（当米饭煮熟后自动跳转到保温）就需要感温材料来实现。

削笔刀的刀片与剃须刀的刀片的功能需求（所需的锋利程度）上存在差异，选用的材料也不同。

因此，选材时需要考虑产品及其零部件的功能需求。

（二）安全性安全是最基本的因素之一。

材料的选择应当按照有关的标准正确选用，并充分考虑各种可能预见的危险。

例如，医院的某些电疗设备中与病人接触的部位，其表面应该选择具有抗静电性质的材料；在设备暴露的位置（如过道边）配置普通的平板玻璃，就易于碰撞碎裂而造成人身伤害事故；在设备内部如果选用易泛潮的塑料轴承，就会因隐匿着腐蚀的危险性造成质量恶化而导致重要的控制器失灵。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,（三）外观需求产品的外观在很大程度上受其可见表面的影响，并采取材料所能允许制造成的结构形式。

因此，外观也是材料选择必须考虑的一个重要因素。

就产品的表面效果来看，材料影响着表面的自然光泽、反射率与纹理；影响着所能采用的表面涂饰材料与方式；影响着涂饰的外观效果和在使用期限内的恶化程度和恶化速度。

至于形成外观所需采取的制造工艺和手段，如浇铸、模铸、冲压、弯折或切削，也在很大程度上依赖于所采用的材料，并影响到造型在经济上是否切实可行。

（四）市场与经济因素选择材料的经济因素包括以下四点：

1可达性在最初考虑使用某种材料时，设计师应首先了解手边有没有这种材料。

如果没有，那就看能否在规定期限内得到。

如果产品要在数年后再制造，那么采用只从一个供应厂商才能得到的专用材料是不明智的，会使在价格和供应量上完全受供应厂商的控制。

另外，如果在规定的时间内不能获得所需的材料，就必须考虑用另一种材料代替。

因此可达性是工业产品设计选材的重要因素。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,2成本市场上材料的价格是选材的重要依据。

对于一种批量生产的产品，如果可用工程塑料、工业陶瓷或金属，甚至复合材料来制造，则需要比较各种材料的价格。

产品设计中，使用材料的相对价格是随着经济气候和需求量的变化而涨落。

如果要使用大量的材料，那么应该对现行的材料价格进行全面的价格研究，总的原则是选择价廉物美的材料。

材料的价格一方面对总成本有很大的影响，同时它本身在产品总成本中也占有较大的比重，所以，材料价格是选材一个重要因素。

产品设计中加工工艺的选用应该考虑成本和对材料的节约，例如压力加工工艺，应在排样时尽可能将废料降低到最少。

如图2-13中的两个零件，其外形比较，很难取舍，但从节约材料的角度考虑，则A设计比B设计合理。

图2-13零件排样图,材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,产品寿命在选择材料的时候，设计师必须了解产品的使用寿命。

如果所设计的产品的使用寿命较长，那么应该选用具有高强度和耐磨性好的材料。

社会流行趋势社会流行趋势包括社会风气、时尚潮流等等，时尚潮流产品往往具有较大的市场空间，设计选材中考虑社会流行趋势的例子也比较常见，比如2000年前后家电行业掀起的“透明风”便是对流行趋势的主动适应；目前市面上越来越多的青少年服装饰品采用了大量的金属或金属质感的材料也是对青少年追求个性、渴求出位心理的主动适应。

（五）与材料相关的政策法规设计师必须对与材料相关的政策法规有所了解，才能在设计时合法地选择材料。

目前，世界各国都存在一些与材料相关的政策法规，包括对限用禁用材料的规定、材料质量认证的法规等。

比如我国国家建设部、国家经贸委、质量技监局、建材局联合印发的关于在住宅建设中淘汰落后产品的通知就规定砂模铸造铸铁排水管不得用于住宅建筑；冷镀锌钢管不得用于住宅建筑。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,（六）环境因素,在设计选材时，必须考虑在产品的整个生命周期中材料对环境的影响。

另外，产品总是存在于一定的环境中，所以产品的材料也必然受到环境的影响，下面分别从两个角度来描述设计选材中需要考虑的环境因素：

从材料影响环境的角度来讲，需要考虑材料在生产、使用以及废弃的整个生命周期中对环境的影响，在具体的设计中可以从减少表面装饰、选用同类材料、采用可降解材料、废弃物的再利用等方面来考虑。

从环境影响材料的角度来讲，包括以下8点：

冲击与振动：

机器可能会经受一个范围较宽的冲击力影响。

例如在地面上移动的设备，在处理或运输过程中可能会因坠落、翻侧而受到冲击，而振动则能导致产品基本结构散架。

例如在工作状态承受较大载荷的螺栓，如果拧在较软的金属材料或易脆裂的塑料上，当所在环境振动较大时就容易造成这种损坏。

此外，如果振动产生的交变应力超出了材料的疲劳极限时，振动还会导致零件的疲劳失效。

温度与湿度：

温度的极端值也是材料选择中必须考虑的一个方面。

例如在具有极端温度（特别热或特别冷）的场合，选用导热率低的材料来制作手动控制器的操纵手柄会更合适，因为这样的材料有助于降热传导。

湿度也会对材料造成影响。

例如，某些塑料受潮后会引起尺寸的变化，从而影响机器的性能。

有的金属在湿度较大的环境中极易锈蚀等。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,人为破坏：

材料的选择除考虑正常的使用情况外，还要考虑到被粗暴对待的可能性。

如在运输和使用过程中可能经受的人为破坏。

因此，作为人/机交互面的人的一方往往并不可靠，在相关的材料选择中必须予以考虑。

例如在公共场所的设备（如磁卡电话亭、邮筒、自动取款机等）常会遭到不适当的对待而极易损坏。

在这种场合，与其采用牢固但价格昂贵的材料，不如采用价格较低，并在结构设计上使其易于更换和涂饰的材料更为有效。

火灾危害：

从安全和持久使用的角度考虑，火灾危害是材料选择时必须考虑的因素。

生物危害：

某些材料，如木材、橡胶和某些塑料会被昆虫或鸟类及其他动物啮食。

为保证产品的使用寿命及安全可靠性，在材料选择时应考虑这种可能性。

污损：

应考虑到在清洗产品表面的污物时，可能会造成产品某种程度的损坏。

气候影响：

紫外光线、霜冻和雨水是气候环境中对材料影响最大的因素。

如果选用了不适当的材料就容易引起老化或锈蚀，并因此大大缩短产品的使用寿命，或使机器上操作指令之类的图形符号褪色、模糊而影响正确操作。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.2设计选材的“适应性”原则,（8）噪声：

噪声是有害的，尤其是突然而不被预料的噪音更为有害。

这时，操作者就需选择适当的隔音材料作防护。

如复合板材能降低传导的噪声，而油漆了的金属却会使噪声问题更严重。

由此可见，人与环境对材料选择的影响也是不容忽视的。

当然，对具体的产品而言，考虑的侧重会有所不同。

一件成功的产品的材料选择应当是建立在对上述因素综合考虑的基础之上的。

设计选材就是在内部因素和外部因素之间寻找着相互适应，了解外部需求与限定，然后综合考虑选择内部因素，然后接受外部的评估、反馈，然后修改内部因素的组织，如此反复循环。

当设计师选择一种材料时，他即联想到材质带给人的心理感受，又必须考虑到生产的可行性与成本、环境资源的限制，预测材质带给人的心理感受，内外部因素是有机联系着的。

“适应”是设计活动的起点；“适度”是评价标准，也是设计活动的过程；“适合”是目标，是设计活动完成终止的状态。

设计选材的目的并不是寻找“最优解”，而是“适合解”。

衡量设计选材的标准不是对与错，而是相对的适合与不适合。

“最优”只是一种口号、信念或时髦，是不现实的神话理性观。

“适合”比“最优化”更为合理，并具有很强的启发性和再创造的余地。

设计选材过程是寻找、搜索、生成备选方案的过程，充满了许多的选择与评价；设计选材过程也是一个检验、评价、挑选的过程，充满了对备选方案的“适合与不适合”。

综上所述，设计选材的“适应性”原则是指以材料工艺内部因素和外部因素相“适应”为起点，以“适度”为评价标准，最终选择出相对适合的材料与工艺。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.3设计选材的程序,产品的构成包括可见因素材料、结构、造型；也包括不可见因素使用原理、操作顺序、技术手段、生产组织形式和产品可以完成的功能程度，而构成产品的因素是相互依存、相互补充、相互制约的。

材料作为构成产品的可见因素，其重要性在于，它是产品其它构成要素造型和功能的物质载体；产品的造型和功能是建立在材料的性能之上的；材料的某些外部特征，如色彩、光泽、纹理、硬度等也都能直接影响产品的造型和功能，并作用于人的感觉的感官。

因此，设计选材的适合性是实现产品价值的重要因素。

在设计选材过程中，由于外部环境复杂多变，而人的认识能力又有自身的局限性，最优的选择并不存在，可以按部就班的选材步骤也不存在，但是简单而科学的程序可以让选择的结果更加合理，达到相对适合。

材料工艺MaterialandTechnology,第二章设计选材的“适应性”原则,2.3设计选材的程序根据设计选材的“适应性原则”，可以拟定以下程序：

第一步：

针对特定产品，研究系统中材料工艺之外的需求与限定：

产品的功能需求安全性需求外观需求市场与经济因素（材料可达性、材料与工艺总成本、社会流行趋势等）与材料相关的政策法规环境因素第二步：

针对特定产品，综合分析外部因素中的主要因素和次要因素。

第三步：

根据主要因素选择系统内部因素（材料的物理性能、机械性能、化学性能、尺寸性能以及工艺性能）。

第四步：

根据次要因素选择系统内部因素（材料的物理性能、机械性能、化学性能、尺寸性能以及工艺性能）。

第五步：

根据内部因素确定一系列符合要求的材料，通过制作模型，以内部因素与外部因素相适应的程度为标准，对这些材料进行评估比较，选出其中相对而言更合适的材料。

第六步：

如果有必要，重复上面的第三、四、五步。

设计选材的程序并不是孤立的，而是设计程序中的一个环节，设计选材的程序的灵活运用将有助于选择更为合适的材料。