設計材料工藝學1第一講：概論1.1設計與材料人類的造物史是不斷發(fā)現材料、利用材料、創(chuàng)造材料的歷史。材料是人類生產各種所需產品和生活中不可缺少的物質基礎。新材料的發(fā)現和應用，都會產生不同的成型加工方法和工藝制作手段，導致產品結構的巨大變化，給產品造型設計帶來新的飛躍，形成新的設計風格，同時也給產品造型設計提出更高要求，形成設計發(fā)展的推動力，從而會引發(fā)新的設計運動。產品造型設計的過程是對材料的理解和認識過程，是“造物”與“創(chuàng)新”的過程，是應用的過程。

——相輔相成，相互影響，相互促進，相互制約第一講：概論設計材料工藝學2第一講：概論1.2產品造型設計的物質基礎材料是用以構成產品造型的客觀物質，無論是傳統材料還是現代材料、天然材料還是人工材料、單一材料還是復合材料，均是工業(yè)造型設計的物質基礎。工藝是指材料的成型工藝、加工工藝和表面處理工藝，是人們認識、利用和改造材料并實現產品造型的技術手段。材料通過工藝過程成為具有一定形態(tài)、結構、尺寸和表面特征的產品，將設計方案轉變成具有使用價值和審美價值的實體。材料與工藝是設計的物質技術條件，是產品設計的前提，它與產品的功能、形態(tài)構成了產品設計的三大要素（右圖）。只有三者有機結合，才能充分體現工業(yè)產品的實用性、藝術性、科學性。功能形態(tài)物質技術條件（材料、工藝）產品造型設計設計材料工藝學3第一講：概論1.3材料設計材料設計的內容是以包括“物——人——環(huán)境”的材料系統（右圖）為對象，將材料的性能、使用、選擇、制造、開發(fā)、廢棄處理和環(huán)境保護看成一個整體，著重研究材料與人、社會、環(huán)境的協調關系，對材料的工學性、社會性、經濟性、歷史性、生理性和心理性、環(huán)境性等問題進行平衡和把握，積極評價各種材料在設計中的使用價值和審美價值，使材料特性與產品的物理功能和心理功能達到高度的和諧統一，使材料具有開發(fā)新產品和新功能的可行性，從各種材料的質感中去獲取最完美的結合和表現，給人以自然、豐富、親切的視覺和觸覺的綜合感受。歷史性特定材料地域文化的影響社會性心理性材料科學工學性經濟性生理性材料設計開發(fā)材料技術環(huán)境開發(fā)選擇廢棄設計材料工藝學4材料設計的方式：（1）從產品功能、用途出發(fā)，思考如何選擇或研制相應的材料；（2）從原材料出發(fā)，思考如何發(fā)揮材料的特性，開拓產品的新功能，甚至創(chuàng)造全新的產品。第一講：概論設計材料工藝學5材料與產品的匹配關系：產品設計包含兩個側面:功能設計與形式設計。材料要與功能設計層面、形式設計層面取得良好匹配。材料的性能分為三個層次：其核心部分是材料的固有性能，包括物理性能、化學性能、加工性能等；中間層次是人的感覺器官直接感受的材料性能（硬軟、重輕、冷暖等）；其外層是材料性能中能直接賦予視覺的表面性能（肌理、色彩、光澤等）。產品功能設計要求與核心部分的材料固有性能相匹配，產品形式設計中除材料的形態(tài)之外，還必須考慮材料與使用者的觸覺、視覺相匹配（觸覺要求對應中間層次的性能感覺；視覺要求材料的表面感覺）第一講：概論設計材料工藝學61.4材料的分類按材料的來源分類：天然材料（竹；木；皮毛；石等）、加工材料（人造板；金屬；陶瓷；玻璃等）、合成材料（塑料、橡膠、纖維等）、復合材料（玻璃鋼，碳纖維復合材料等）；智能材料（形狀記憶合金，壓電材料等）按材料物質結構分類：金屬材料（黑色金屬，有色金屬）、無機材料、有機材料、復合材料按材料的形態(tài)分類：線狀材料（線材）、板狀材料（面材）、塊狀材料（塊材）第一講：概論設計材料工藝學71.5設計材料的基本特性材料特性的評價材料特性包括兩個方面：材料的固有特性（物理，化學特性）；材料的派生特性（加工，感覺，環(huán)境特性）。材料特性的評價一般分兩部分進行：（1）基礎評價；（2）綜合評價評價特性評價因素基礎評價物質評價組成、結構、密度、形態(tài)、組織等性能評價物理性能機械性能（強度、彈性等）；熱性能（熱膨脹、熱傳導、耐熱性等）；電磁性能（導電性、導磁性等）；光學性能（顏色、反射率、偏光率等）化學性能耐酸性；耐堿性；耐臭氧性綜合評價壽命、耐環(huán)境性、可靠性、安全性等第一講：概論設計材料工藝學8材料的固有特性（1）材料的物理性能：材料的密度；力學性能（強度，彈性和塑性，脆性和韌性，剛度，硬度，耐磨性）；熱性能（導熱性，耐熱性，熱脹性，耐燃性，耐火性）；電性能（導電性，電絕緣性）；磁性能；光性能（反射，折射，透射）（2）材料的化學性能：耐腐蝕性；抗氧化性；耐候性材料的派生特性包含：材料的加工特性、感覺的特性、環(huán)境特性和材料的經濟特性第一講：概論設計材料工藝學【思考題】從工業(yè)設計發(fā)展歷史的角度出發(fā)，結合一類產品探討材料與設計的關系。設計材料工藝學9第二講：材料的工藝特性2.1材料的成型加工成型加工工藝材料的成型加工性是產品造型材料優(yōu)劣的重要標志。產品設計的材料必須具有良好的成型工藝性能。對設計效果的影響因素主要體現在以下方面：（1）工藝方法（不同材料有不同的成型加工方法）從原理上歸納有以下三種：①去除成型（減法成型）②堆積成型③塑性成型

相同的材料和結構方式，采用不同的工藝方法，獲得外觀效果差異較大

相同的造型，所選材料和工藝方法的不同，造型結構發(fā)生相應的變化第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學10（2）工藝水平材料、結構和工藝方法均相同，但工藝水平不同，所獲得產品質量

也不同。（3）新工藝的采用

新工藝代替?zhèn)鹘y工藝是提高產品造型質量的有效途徑。（4）工藝方法的綜合應用

綜合運用多種工藝方法，是增加造型的外觀變化，豐富造型藝術效

果的有效方法。由于不同的成型方式各具特點，以及生產設備、技

術水平、加工成本等方面的限制，不同的加工成型方式對產品造型

設計提出生產工藝方面的要求也不同。第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學11材料成型工藝的選擇原則選擇原則是：高效、優(yōu)質、低成本，即應在規(guī)定的周期內，經濟地生產出符合技術要求的產品，其核心是產品品質。確定零件應選用的材料與成型方法，除了要考慮功能，使用性能要求外，還應考慮如下因素：（1）產品材料種類；（2）產品的尺寸精度要求；（3）產品的形狀及復雜程度；（4）產品的批量；（5）現有生產條件；（6）充分考慮利用新工藝、新技術和新材料的可能性第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學122.2材料的連接工藝連接工藝是將兩個或兩個以上的材料零部件連接在一起的工藝和技術。在選擇連接工藝技術是通常要考慮以下一些因素：（1）連接件屬性：連接件的幾何形狀及尺寸、材料性能和適應性。（2）拆裝性能：可靠性、安全性、可逆性、拆裝頻率。（3）操作性能：簡單、方便、快捷、省力。（4）產品使用環(huán)境：負荷、溫度、濕度、化學介質等。（5）環(huán)保因素：以回收為目的的連接件的易拆卸。（6）經濟因素：連接成本、輕量化、節(jié)省能源。（7）美學要求：連接外觀、視覺效果。第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學13連接工藝的分類分類連接方法連接原理機械連接釘接、鉚接、螺紋栓連接、鍵銷連接、卡和連接等焊接熔焊、壓焊、釬焊粘接膠粘劑粘接、溶劑粘接連接功能靜連接不可拆固定連接：焊接、鉚接、粘接、釘接等可拆固定連接：螺紋連接、銷連接、卡扣連接、插接等動連接移動連接：滑動連接、滾動連接轉動連接：鉸鏈連接、軸連接柔性連接：彈簧連接、軟軸連接第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學142.3材料的表面處理表面處理的目的表面處理技術是指采用諸如電鍍、涂裝、研磨、拋光、覆貼等改變材料表面性質與狀態(tài)的表面加工與裝飾技術。從產品造型設計出發(fā)，其處理的目的是：（1）保護產品，（2）根據產品造型設計的意圖，改變產品表面狀態(tài)、賦予表面更豐富的色彩、

光澤、肌理等，提高表面裝飾效果，改善表面的物理、化學、生物性能，

使產品表面有更好的感覺特性。第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學15材料表面處理類型分類處理的目的處理方法和技術表面精加工有平滑性和光澤，形成凹凸花紋機械方法（切削、研削、研磨）化學方法（研磨、表面清潔、蝕刻、電化學腐蝕）表面層改質有耐腐蝕性，有耐磨耗性，易著色化學方法（化學處理、表面硬化）電化學方法（陽極氧化）表面被覆有耐腐蝕性，有色彩性，賦予材料表面功能金屬被覆（電鍍、鍍覆）有機物被覆（涂裝、塑料襯里）琺瑯被覆（搪瓷、景泰藍）表面覆貼第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學16材料表面處理工藝的選擇原則（1）形態(tài)的時代性（產品的造型只有在提供了新材料、新工藝、新技術的基

礎上才可能反映出產品的時代性）（2）求簡的單純性（產品形態(tài)的設計簡潔、單純是現代工業(yè)產品的鮮明特色）（3）功能的合理性（4）情感的審美性（5）產品的多樣性（由于消費層次的差異，產品分為高、中、低不同檔次）（6）產品的經濟性（表面處理要成本問題）（7）環(huán)境保護第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學172.3新材料成型技術——快速成型技術快速成型的原理及特點快速成型（RapidPrototype，RP）是一種用材料逐層堆積出制件的制造方法，是集計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、數字控制（CNC）、精密機械、激光技術和材料科學與工程等最新技術而發(fā)展起來的產品設計開發(fā)技術，其目標是將計算機三維CAD模型快速地轉變?yōu)榫唧w物質構成的三維實體模型。特點：（1）改變了傳統的制造方式，設

計制造一體化；(2)設計的易達性；（3）快速性；（4）材料的廣泛性CAD模型Z向離散化（分層）層面信息處理層面加工與粘接層層堆積后處理分解過程計算機中信息處理組合過程成型機中堆積成第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學18快速成型的基本方法（1）光固化成型——SLA成型工藝

其原理是利用紫外線激光光束使液態(tài)光敏樹脂逐層固化形成三維實體。通過CAD設計出三維實體模型，利用離散程序將模型進行切片處理，將電腦軟件分層處理后的資料，由激光光束通過數控裝置的掃描器，按設計的掃描路徑投射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面特定區(qū)域內的一層樹脂固化，生成零件的一個截面；每完成一層后，浸在樹脂液中的平臺會下降一層，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進行第二層掃描，新固化的一層牢固地黏結在前一固化層上；如此重復形成三維實體原型。第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學19（2）選擇性激光燒結成型——SLS成型工藝

其成型工藝與SLA成型工藝的成型原理相似，只是將液態(tài)光敏樹脂換成在激光照射下可燒結成型的各種固態(tài)燒結粉末（金屬、陶瓷、樹脂粉末等）。（右上圖）（3）熔積堆積成型——FDM成型工藝

使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲材在噴頭中加熱至略高于熔化溫度，呈熔融狀態(tài)。在計算機的控制下，噴頭作X—Y平面的掃描運動，將熔融的材料從送料端口噴頭射出，涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面；一層成形后，噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維實體。（右下圖）第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學20（4）分層實體成型——LOM成型工藝

是以薄片材（紙片、塑料薄膜、復合材料）為原材料，通過薄片材進行層疊加與激光切割而形成模型。其成型原理為激光切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓數據，將背面涂有熱熔膠的片材用激光切割出模型的內外輪廓；切割完一層后，工作臺下降一層高毒，在剛形成的層面上疊加新的一層片材，利用熱粘壓裝置使之粘合在一起，然后再進行切割；這樣一層層地黏合、切割，最終成為三維實體。第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學21快速成型技術在設計領域的應用快速成型（RP）技術在設計領域最重要的應用就是開發(fā)新產品。其用途主要包括一下幾個方面：（1）優(yōu)化產品設計（2）支持同步（并行）工程的實施（3）對產品性能進行及時、準確地校驗與分析（4）快捷、經濟地制作各種模具第二講：材料的工藝特性設計材料工藝學22【設計師】：MarcelWander（荷蘭）【設計講解】：造型簡潔，鏤空紛繁妖嬈，采用樹脂材質，運用光固化成型完成。第二講：材料的工藝特性Crochet椅設計材料工藝學23【設計師】：Partrick

Jouin（法國）【設計講解】：以植物自由生長引發(fā)靈感，采用“鐳射立體成型”技術，直接由3D檔案生產實體物件，而不受加工方法的限制。第二講：材料的工藝特性Solid椅設計材料工藝學【思考題】結合工業(yè)設計專業(yè)來闡述快速成型技術的應用。設計材料工藝學24第三講：材料感覺特性的應用3.1材料感覺特性的概念材料感覺特性的內容材料的感覺特性又稱材料質感，是人的感覺系統因生理刺激對材料作出的反映或由人的知覺系統從材料表面特征得出的信息，是人對材料的生理和心理活動，它建立在生理基礎上，是人們通過感覺器官對材料作出的綜合印象。材料感覺特性包含兩個基本屬性：生理心理屬性（粗礦與細膩、溫暖與寒冷、華麗與樸素等），物理屬性（肌理、色彩、光澤等）材料感覺特性分類：按給人的感覺分為：觸覺質感；視覺質感按材料本身的構成特性分為：自然質感；人為質感第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學25（1）材料的觸覺質感

是人們通過手和皮膚觸及材料而感知材料的表面特性。①觸覺的生理構成：本身也是一種復合感覺，由溫覺、壓覺、痛覺、

位置覺、振顫覺等組成。靈敏度僅次于視覺，具有相當高的準確性。②觸覺的心理構成：觸覺質感可引起快適和厭憎兩種心理反映。③觸覺的物理構成：從物理學的角度看，是皮膚彈性與物面之間的摩

擦作用所產生的生理刺激信息。物體表面結構是使人皮膚產生不同

觸覺質感的主要原因。第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學26（2）材料的視覺質感是靠眼睛的視覺來感知的材料表面特征，是材料被視覺感受后經大腦綜合處理產生的一種對材料表面特征的感覺和印象。①視覺的生理構成：是捕捉外界信息能力最強的器官，人們通過視覺器官對

外界進行了解。②視覺的物理構成：材料對視覺器官的刺激因其表面特性的不同而決定了視

覺感受的差異。材料表面的光澤、色彩、肌理、透明度等都會產生不同的

視覺感受。③視覺質感的間接性：一般來說，材料的感覺特性是相對于人的觸感而言的。

由于人類長期觸覺經驗的積淀，大部分觸覺感受已轉化為視覺的間接感受。

視覺質感相對于觸覺質感的間接形、經驗性、知覺性和遙測性，具有相對

的不真實性。④視覺質感的距離效應：材料的視覺質感與觀察距離有著密切的關系。第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學27（4）材料的自然質感是材料本身固有的質感，是材料的成分、物理化學特性和表面肌理等物面組織所顯示的特征。（5）材料的人為質感

是人有目的地對于材料表面進行技術性和藝術性的加工處理，使其具有材料自身非固有的表面特征。第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學28材料感覺特性的評價（1）材料感覺特性的描述

常用20組適合表示材料感覺特性的形容詞。1.自然——人造11.浪漫——拘謹2.高雅——低俗12.協調——沖突3.明亮——陰暗13.親切——冷漠4.柔軟——堅硬14.自由——束縛5.光滑——粗糙15.古典——現代6.時髦——保守16.輕巧——笨重7.干凈——骯臟17.精致——粗略8.整齊——雜亂18.活潑——呆板9.鮮艷——平淡19.科技——手工10.感性——理性20.溫暖——涼爽第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學29（2）材料感覺特性的測定

選擇了玻璃、陶瓷、木材、金屬、塑料、橡膠、皮革7種材料作為評價對象，測定感覺特性。1.自然——人造木陶皮塑玻橡金2.高雅——低俗陶玻木金皮塑橡3.明亮——陰暗玻陶金塑木皮橡4.柔軟——堅硬皮木橡塑陶玻金5.光滑——粗糙玻金陶塑橡皮木6.時髦——保守玻陶金塑橡皮木7.干凈——骯臟玻陶金塑木皮橡8.整齊——雜亂玻金陶塑木皮橡9.鮮艷——平淡陶玻金皮橡塑木10.感性——理性皮木陶玻塑橡木11.浪漫——拘謹皮陶玻木塑橡金12.協調——沖突木玻陶皮塑金橡13.親切——冷漠木皮玻陶塑橡金14.自由——束縛木玻陶皮塑金橡15.古典——現代木皮陶橡塑玻金16.輕巧——笨重玻木塑皮陶橡金17.精致——粗略玻陶金塑木皮橡18.活潑——呆板玻陶皮木塑金橡19.科技——手工金玻陶塑橡皮木20.溫暖——涼爽皮木橡塑玻陶金第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學30（3）影響材料感覺特性的相關因素①材料種類材料的感覺特性與材料本身的組成與結構密切相關。②材料成型加工工藝和表面處理工藝

常表現為同質異感和異質同感。③其他因素

在很大程度上受時代的制約，與時代的科技水平、審美標準、流行時尚

等因素有著直接的關系。由于人們的經歷、文化修養(yǎng)、生活環(huán)境、風俗

和習慣等的差異，材料的感覺特性只能相對比較而言第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學313.2質感設計質感設計的形式美法則（1）調和和對比法則是指材質整體與局部、局部與局部之間的配比關系；其實質就是和諧；其普遍原則是變化中求統一（對比而不零亂），統一中求變化（調和而不單調），追求設計效果的和諧完美。（2）主從法則實際是強調在產品的質感設計上要有重點；主體部分在造型中起決定作用，客體部分起烘托作用，主從應相互襯托，融為一體。第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學32（3）質感設計的主要作用①提高適用性②增加宜人性③塑造產品的精神品位④達到產品的多樣性和經濟性⑤創(chuàng)造全新的產品風格第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學333.3材料的抽象表達是將材料的某些特征（色彩、光澤、肌理、質地、形態(tài)等）加以提煉、升華為具有某種審美價值的意象，并沿著抽象表達的共同方向，使材料成為能夠喚起人們某種情感的具有抽象意念的材料，是材料的視覺要素、觸覺要素及內在心理要素的綜合抽象表達，體現為境界、情趣、力感、空間感、動感、生命等。（1）材料抽象表達的方式通常分為：①對材料傳統自然外觀特征加以減約、提煉或重新組合。從材料的自然特征中抽取藝術表達形象，使表達形式得以創(chuàng)造特定的情感和表達需要傳遞的信息。②盡可能舍去材料的自然外觀特征，在觀念上跳脫常規(guī)傳統特征的局限，以全新的視角，將靈感創(chuàng)意和情感通過材料的特殊內在屬性表達出來，讓我們習慣的材料特征成為認知的對象，產生視覺上的新意，活化人們的心靈。第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學34（2）材料的抽象表達對設計的意義①是對材料抽象表達的理解，強調對材料美感的抽象表達是設計構思的藝術元素。②強調材料本身的性能特征，強調材料在設計中的作用，強調對材料的認識是實現設計構思的前提和保障。③強調對材料進行巧妙地組合配置。不同材料的綜合運用可豐富人們的視覺和觸覺感受。第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學353.4材料的美感材料的色彩美感材料的色彩可分為：固有色彩（自然色彩）；人為色彩。運用色彩規(guī)律將材料色彩進行組合和協調，產生明度對比、色相對比和面積效應以及冷暖效應等現象，突出和豐富材料的色彩的表現力。材料色彩的應用應遵循以下原則：①盡量運用材料的天然色彩②盡量通過較少的顏色種類來構成第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學36材料的肌理美感根據材料表面形態(tài)的構造特征，可分為：自然肌理；再造肌理根據材料表面給人以知覺方面的某種感受，可分為：視覺肌理；觸覺肌理材料肌理形態(tài)的組合方式主要有：①同一肌理的材料組合②相似肌理的材料組合第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學37材料的光澤美感根據材料受光特征，可分為：透光材料；反光材料（定向反光，漫反光）材料的質地美感材料的質地是材料內在的本質特征，主要由材料自身的組成、結構、物理化學特性來體現，主要表現為材料的軟硬、輕重、冷暖、干濕、粗細等。一般可分為：自然質地；人工質地表現質感美感的材料主要配置方式：①相似質地的材料配置②對比質地的材料配置第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學38材料的形態(tài)美感材料的形態(tài)通常分為：線材；面材；塊材（1）線材的美感表現為輕巧、虛幻、流動、優(yōu)美、靈活多變的造型特色，可運用重疊、并列、虛實、漸變等手法充分展現現狀材料的材質與造型的美感。（2）面材的美感具有延伸感和空間的虛實感，造型時著重考慮空間虛實、結構形式、材料力學特性等因素。（3）塊材的美感具有重量感、充實感和較強的視覺表現力。造型多采用幾何形體和通過雕刻、堆積、削減、挖空等技巧來完成。（4）綜合形態(tài)的材料美感綜合不同形態(tài)的材料進行造型，只要符合美的形式原理，重視形色的秩序性，滿足視覺層次的要求，充分發(fā)揮材料特性必能產生美的造型。第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學39第三講：材料感覺特性的應用設計材料工藝學【思考題】從材料的基本構成要素入手，進行材料的抽象表達訓練。強化對材料特性的理解，訓練在設計中應如何有效地發(fā)掘的特性。設計材料工藝學40第四講：材料與環(huán)境4.1環(huán)境意識迄今為止，材料生產——使用——廢棄的過程，可以說是一個將大量有用資源從環(huán)境中提取出來，再將大量廢棄物徘回到環(huán)境中去的惡性循環(huán)過程。環(huán)境意識是現代社會的產物，也是后工業(yè)社會發(fā)展的必然。人類寄希望于設計，試圖通過設計來改善目前的生存環(huán)境。第四講：材料與環(huán)境設計材料工藝學414.2綠色設計綠色設計的基本特征（1）環(huán)境協調性環(huán)境協調性是指在產品開發(fā)與使用的整個過程中，對人類生態(tài)環(huán)境與資源環(huán)境的協調有益程度。（2）價值創(chuàng)造性

體現在：結構技術的更新與進步變化；污染防范技術的應用；在人與環(huán)境整體關系中的創(chuàng)新設計和提高產品總體價值的措施。（3）功能全程性

綠色設計將產品的生命周期從“產品制造到投入使用”延伸到了“產品使用結束后的處理和回收利用”。第四講：材料與環(huán)境設計材料工藝學42綠色設計的基本原則——6R設計原則（1）研究（Research）（2）保護（Reserve）（3）減量化（Reduce）包括三方面內容：①產品設計中的減少體量，精簡結構；②生產中的減少消耗；③流通中的降低成本與消費中的減少污染（4）回收（Recycling）

包括三方面內容：①通過立法形成全社會對資源回收與再利用的普遍共識；②通過材料供應商與產品銷售商的聯手建立材料回收的運行機制；③通過產品結構設計的改革，使產品部件與材料的回收運作成為可能。（5）重復使用（Reuse）（6）再生（Regeneration）第四講：材料與環(huán)境設計材料工藝學43產品設計的綠色理念（1）產品設計的綠色觀念由目標層、內容層、主要階段層、設計因素層四個層次組成（見表）：設計因素層主要階段層內容層目標層綠色設計產品結構設計材料選擇產品環(huán)境性能設計產品資源性能設計生產過程回收處理過程使用過程時間、材料、成本、能源、環(huán)境影響等第四講：材料與環(huán)境設計材料工藝學44綠色設計的發(fā)展方向（1）綠色產品的設計①產品的簡約設計②產品的可拆卸設計（2）綠色包裝設計①無包裝設計②再利用包裝（3）綠色能源的開發(fā)（如太陽能、風能、水力能、地熱能、海洋能等）（4）創(chuàng)造有生命的材料（如材料能吸入被污染的空氣，吐出新鮮的空氣）第四講：材料與環(huán)境設計材料工藝學45綠色材料（1）綠色材料的主要內涵（又稱環(huán)境協調材料、生態(tài)環(huán)境材料、環(huán)境材料）是指具有良好使用性能，對資源和能源消耗少，對生態(tài)環(huán)境污染少，可再生利用率或可降解循環(huán)利用率高，在材料的制備、使用、廢棄及到再生循環(huán)利用的整個過程中，都與環(huán)境協調共存的材料。綠色材料應具有三個明顯特征：①先進性：發(fā)揮材料的優(yōu)異性能，為人類開拓更廣闊的活動范圍和環(huán)境；②環(huán)境協調性③舒適性：人們樂于接受和使用，使活動范圍中的人類生活環(huán)境更舒適。第四講：材料與環(huán)境設計材料工藝學46（2）典型的綠色材料①生物降解材料②循環(huán)與再生材料③凈化材料（能分離、分解或吸收廢氣或廢液的材料）④綠色建筑材料（基本型，用廢棄物型，節(jié)能型，健康型，抗菌材料）⑤綠色能源材料（3）綠色材料的評估方法（LCA）對于綠色材料的評價，不少國家采用材料生命周期評價法（LCA）。它是以開發(fā)利用環(huán)境負荷最小的產品為目的，是產品從原料獲取到最終廢棄處理的全過程中對社會和環(huán)境影響的評價方法。第四講：材料與環(huán)境設計材料工藝學47選擇材料對環(huán)境保護的考慮（1）選用合適產品使用方式的材料，對各種材料的種類、使用量和使用條件等都加以嚴格的限制。（2）減少使用材料對環(huán)境的破壞和污染，避免使用有毒、有害成分的原料。（3）材料使用單純化、少量化，盡量避免多種材料的混合使用，限制產品中所使用的材料種類。（4）盡量選用可回收再生或重復使用的材料，避免拋棄式的設計，減少垃圾的產生，提倡易拆卸的結構。（5）選用廢棄后能自然分解并為自然界吸收的材料。（6）減少不必要的表面裝飾盡量選用表面不加任何涂飾、鍍覆、貼覆的原材料，便于回收處理和再利用。第四講：材料與環(huán)境設計材料工藝學48影響材料選擇的環(huán)境因素（1）沖擊與振動

（2）溫度與濕度

（3）人為破壞（4）火災危害

（5）生物危害

（6）污損（7）氣候影響

（8）噪聲第四講：材料與環(huán)境設計材料工藝學【思考題】通過實際產品案例闡述產品設計的綠色理念。金屬黑色金屬生鐵（含碳量>2%）鋼（含碳量0.04—2%）碳素鋼合金鋼（含特殊合金鋼）有色金屬鋁及鋁合金銅及銅合金其他金屬及特殊金屬材料非晶態(tài)金屬、形狀記憶合金、超導合金等設計材料工藝學49第五講：金屬材料及加工工藝5.1金屬材料的分類及特性金屬的分類第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學50金屬的基本特性（1）具有金屬所特有的色彩、良好的反射能力、不透明性及金屬光澤。（2）優(yōu)良的力學性能：高彈性模量；高結合能；有較高熔點、強度、剛度、韌性等特性。（3）優(yōu)良的加工性：塑性成型性、鑄造性、切削加工及焊接等性能（4）表面工藝性好：表面切削精加工、拋光、電鍍、涂裝、金屬氧化等（5）電與熱的良導體（6）金屬合金：二元合金、三元合金等（7）金屬的氧化：大部分易于氧化生銹，產生腐蝕。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學515.2金屬材料的工藝特性金屬材料的成型加工（1）鑄造是熔融態(tài)金屬澆入鑄型后，冷卻凝固成為具有一定形狀鑄件的工藝方法。鑄造與其他工藝方法相比具有下列特點：①鑄造成型生產成本低。②工藝靈活性大，適用性強，適合生產不同材料看，形狀和重量的鑄件，并適合于批量生產。③鑄件的力學性能，特別是抗沖擊性能較低。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學52鑄造可分為：砂型鑄造、熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等。①砂型鑄造俗稱翻砂，用砂粒制造鑄型進行鑄造的方法。其基本工藝過程（下圖）。主要工序有：制造鑄模；制造砂鑄型（即砂型）；澆注金屬液；落砂；清理等。特點：適應性強，工藝設備簡單，成本低，鑄件表面質量低等。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學53②熔模鑄造又稱失蠟鑄造，其工藝過程。（下圖）主要工序有：制造母模；制作壓型；制作蠟模；脫蠟；焙燒和造型；澆注；

脫殼等。特點：尺寸精確，鑄件表面光潔、無分型面、不必再加工或少加工。工序較

多，生產周期較長，受型殼強度限制，適用于多種金屬及合金的中小型、薄壁、復雜鑄件的生產。第五講：金屬材料及加工工藝（a）母模（b）壓型（c）熔蠟（d）制造蠟模（e）蠟模（f）蠟模組（g）制殼脫模（h）造型澆注設計材料工藝學54③金屬型鑄造用金屬材料制作鑄型進行鑄造的方法，又稱永久型鑄造或硬型鑄造。鑄型常用鑄鐵、鑄鋼等材料制成。特點：鑄件表面光潔度和尺寸精度均優(yōu)于砂型鑄件，且鑄件的組織結構致密，

力學性能較高。適用于中小型有色金屬鑄件和鑄鐵鑄件的生產。③壓力鑄造（壓鑄）在壓鑄機上，用壓射活塞以較高的壓力和速度將壓室內的金屬液壓射到模腔中，并在壓力作用下是金屬液迅速凝固成鑄件的鑄造方法。特點：鑄件尺寸精確，表面光潔，組織致密，生產效率高。適合生產小型、

壁薄的復雜鑄件，并能使表面獲得清晰的花紋、圖案及文字等。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學55③離心鑄造將液態(tài)金屬澆入沿垂直軸或水平旋轉的鑄型中，在離心力作用下金屬液附著于鑄型內壁，經冷卻凝固成為鑄件的鑄造方法（見圖）。特點：鑄件組織致密，力學性能好，可減少氣孔、夾渣等缺陷、常用于

制造各種金屬的管形或空心圓筒形鑄件，也可制造其他形狀的

鑄件。第五講：金屬材料及加工工藝（a）立式離心鑄造（b）臥式離心制造設計材料工藝學56（2）金屬塑性加工又稱金屬壓力加工。是在外力作用下，金屬坯料發(fā)生塑性變形，從而獲得具有一定形狀、尺寸和機械性能的毛坯或零件的加工方法。其特點：①在成型的同時，能改善材料的組織結構和性能，用塑性成型工藝制造的金

屬零件，其晶粒組織較細，沒有鑄件那樣的內部缺陷。②產品可直接制取或便于加工，無切削，金屬損耗小。③適于專業(yè)化大規(guī)模生產，但需專門的設備和工具，不宜于加工脆性材料或

形狀復雜的制品。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學57金屬塑性加工可分為：鍛造、軋制、擠壓、拔制和沖壓加工。①鍛造是利用手錘、鍛錘或壓力設備上的模具對加熱的技術坯料施力，使金屬材料在不分離條件下產生塑性變形，以獲得形狀、尺寸和性能符合要求的零件。按成型是否用模具分為：自由鍛；模鍛按加工方法分為：手工鍛造；機械鍛造自由鍛是將金屬坯料放在上、下砥鐵之間，施以沖擊壓力和靜壓力，使其產生變形的加工方法（右一圖）。模鍛是將金屬坯料放在具有一定形狀的鍛模模腔內，施以沖擊壓力或靜壓力而使金屬坯料在鍛模模膛內產生塑性變形而獲得模鍛件的加工方法（右二圖）。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學58②軋制是利用兩個旋轉軋輥的壓力使金屬坯料通過一個特定空間產生塑性變形，以獲得所要求的截面形狀并同時改變其組織性能，其工藝示意圖（見圖）。按軋制方式分為：橫軋、縱軋和斜軋按軋制溫度分為：熱軋、冷軋。熱軋是將材料加熱到再結晶溫度以上進行軋制。冷軋是在室溫下對材料進行軋制。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學59③擠壓是將金屬放入擠壓筒內，用強大的壓力使坯料從模孔中擠出，從而獲得符合模孔截面的坯料或零件的加工方法。常用方法為：正擠壓（a）、反擠壓（b）、復合擠壓（c）、徑向擠壓（d）。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學60④拔制是利用拉力使大截面的金屬坯料強行穿過一定形狀的?？祝垣@得所需斷面形狀和尺寸的小截面毛坯或制品的工藝過程。其工藝示意圖（右上圖）⑤沖壓是在壓力作用下手利用模具使金屬板料分離或產生塑性變形，以獲得所需的工件方法。其工藝示意圖（右下圖）按沖壓溫度分為：熱沖壓；冷沖壓按沖壓的加工功能分為：沖裁加工；成型加工第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學61（3）切削加工又稱冷加工。利用切削刀具在切削機床上（或用手工）將金屬工件的多余加工量切去，以達到規(guī)定的形狀、尺寸和表面質量的工藝過程。按加工方式分為：車削、銑削、刨削、磨削、鉆削、鏜削或鉗工等常用車削工序示意圖：第五講：金屬材料及加工工藝（a）銑平面（b）銑方頭（c）銑直槽（d）銑鍵槽（e）銑成型面（f）銑螺旋槽（g）銑齒輪（h）切斷設計材料工藝學62（4）焊接加工是充分利用金屬材料在高溫作用下易熔化的特性，使金屬與金屬發(fā)生相互連接的一種工藝。常用焊接方法有熔焊、壓焊和釬焊。熔焊是將焊接接頭加熱至熔化狀態(tài)，是它們在液態(tài)下相互熔合，從而冷卻凝固在一起的焊接方法。壓力焊是將焊件組合后，用一定的方式施加壓力，并使焊接接頭加熱至熔化或熱塑性狀態(tài)，結合面處產生塑性變形，而使金屬連接成整體的方法。釬焊是在被焊金屬結合面的空隙之中放置熔點低于被焊金屬的釬料，釬料與被焊件有良好的潤濕性，焊接時加熱熔融釬料，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充焊接接頭間隙并與母材相互擴散，凝固而將兩部分金屬連接成整體的方法。金屬焊接性的好壞取決于金屬材料本身的化學成分和焊接方法。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學63（5）粉末冶金是以金屬粉末或金屬化合物粉末為原料，經混合、成型和燒結，獲得所需形狀和性能的材料或制品的工藝方法。其主要工序為：①粉末原料的制取和準備；②將粉末加工成所需形狀的坯料；③將坯料在低于主要組元熔點下的溫度進行燒結，使之獲得最終的性能。金屬粉末有機粘合劑混煉壓制成型燒結機械加工整形熱處理校正蒸氣處理產品第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學64金屬材料的熱處理可分為：普通熱處理、表面熱處理和特殊熱處理（1）普通熱處理包括退火、正火、淬火、回火處理①退火是將金屬加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間后，以較慢的速度冷卻，是其組織結構接近均衡狀態(tài)，從而消除或減少內應力，均化組織和成分，有利于加工作業(yè)。②正火是將金屬加熱保溫后，在室溫空氣中進行冷卻，是一種特殊的退火處理。③淬火是將金屬加熱至臨界溫度以上，保溫后快速冷卻至室溫，以達到強化金屬組織，提高金屬的強度、硬度等機械性能。④回火是將淬火后的金屬重新加熱，再進行保溫冷卻。其目的是為了消除淬火應力，以達到所要求的組織和性能。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學65（2）表面熱處理包括表面淬火和化學熱處理①表面淬火是通過快速加熱金屬表面至所要求的溫度，然后進行淬火，以提高金屬表面的硬度和耐磨性。②化學熱處理是將金屬工件置于一定活性介質中加熱保溫，使介質元素滲入工件表面，改變其表面的化學成分和組織結構，使表面達到預期要求的性能。常用的化學熱處理包括：滲碳、滲氮和氮碳共滲（又稱氰化）。（3）特殊熱處理是利用一些特殊工藝方法進行熱處理，通常有形變熱處理、磁場熱處理等。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學66金屬材料的表面處理技術金屬材料表面處理及裝飾的功效：保護作用；裝飾作用（1）金屬材料的表面前處理在對金屬材料或制品進行表面處理之前，應有前處理或預處理工序，以使其表面達到可以進行表面處理的狀態(tài)。其中主要包括：金屬表面的機械處理、化學處理和電化學處理等。（2）金屬材料的表面裝飾技術①金屬表面著色工藝主要包括化學著色、電解著色、陽極氧化著色、鍍覆著色、涂覆著色、琺瑯著色、熱處理著色、傳統著色技術(假銹等)②金屬表面肌理工藝主要包括表面鍛打、表面拋光、表面研磨拉絲、表面鑲嵌、表面蝕刻第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學675.3常用的金屬材料鋼鐵材料可分為三類：工業(yè)純鐵——含量不超過0.02%的鐵碳合金，塑性好，但強度低。鋼——含碳量為0.02%—2.11%的鐵碳合金，另含少量磷、硫等雜質元素。鑄鐵——含碳量為2.11%—4.0%的合金（1）鋼的分類按化學組成可分為：碳素鋼、合金鋼按質量可分為：普通鋼、優(yōu)質鋼、高級優(yōu)質鋼按用途可分為：結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼（如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等）第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學68①碳素鋼又稱碳鋼，含碳量低于2.11%的鐵碳合金。除鐵、碳及限量以內的硅、錳、磷、硫、氧等雜質外，不含其他合金元素。按含碳量可分為：低碳鋼（含碳量0.25%以下）；中碳鋼（含碳量0.25%-0.6%）；高碳鋼（含碳量0.6%以上）①合金鋼以碳素鋼為基礎適量加入一種或幾種合金元素的鋼，具有較高的綜合機械性能和某些特殊的物理、化學性能。按合金元素的總含量可分為：低合金鋼（總含量5%以下）；中合金鋼（總含量5%-10%）；高合金鋼（總含量10%以上）按合金元素種類可分為：鉻鋼、鎳鋼、錳鋼、硅鋼、鉻鎳鋼、錳硅鋼等按用途可分為：合金結構鋼、合金工具鋼、特種合金鋼第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學69（2）常用鋼材的品種及用途通常分為型鋼、鋼板、鋼管、鋼絲四大類。廣泛用于各工業(yè)部門。（3）鑄鐵是含碳量在2.11%-4.0%的一種鐵碳合金，其熔點低，具有良好的鑄造性能、切削性能及耐磨性和減振性，生產工藝簡單，成本低廉。常用的鑄鐵材料有灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵。第五講：金屬材料及加工工藝設計材料工藝學70常用的有色金屬材料按有色金屬的化學成分分為：鋁及鋁合金、銅及銅合金、其他金屬及合金。按有色金屬的性能特征分為：輕有色金屬、重有色金屬、稀有色金屬、貴有

色金屬和半金屬。（1）鋁及鋁合金鋁與鋁合金是工業(yè)用量最大的有色金屬。鋁具有較優(yōu)良的特性。具有很高的塑性，純鋁為銀白色，在大氣中能形成一層致密的三氧化二鋁氧化膜，有良好的抗氧化性，但不耐酸、堿、鹽的腐蝕。鋁合金是以鋁為基加入其他合金元素（銅、硅、鎂、鋅、錳、鎳等）而組成