工业产品设计及材料选择

《工业产品设计及材料选择》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、工业产品设计及材料选择学习目标：了解材料工业的发展对产品设计的影响。掌握金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料四大类材料的分类原则与方法。记住常用材料的组成成分、物理性质、化学性质和用途。体会不同材料设计出的产品带给人们不同的视觉、听觉、触觉和心理感受。材料指可以直接制造成品的自然物与人造物，也可以称之为物质或原料，或称为尚未定型的物。所有材料均以“貌”呈现给人们，并以此区别不同的物质材料，这便是各种材料的独有特征。设计就狭义方面而言，可解释为：为某一目的而赋予材料形状、色彩和机能，而材料必须合乎目的的需要。本章就材料与设计相互间的关系做一番讨论。设计中常见材料设计中所用材

2、料主要有金属材料、无机材料、有机高分子材料和复合材料四类。金属材料又可以分为黑色金属和有色金属两种。长期以来黑色金属在工程上得到了广泛应用。无机非金属材料和有机高分子材料种类繁多，常用的有塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、木材等。非金属材料的使用历史悠久。近几十年来，非金属材料也得到了广泛的研究和飞速的发展，从而适用范围日益增大。复合材料由于性能特殊，是未来前景特别宽广的材料。金属材料金属材料是具有光泽、延展性、导电、传热等性能的物质，除汞外，在常温下均为固体。金属具有较高的强度、硬度及韧性。通常金属材料分为两大类：一类称为铁金属材料，以铁为主，因其色为黑色，故又称为黑色金属。另一类称为有色金属

3、材料，如金、银、铜、镍、铝、铅等，各具颜色，故称有色金属。因金、银金属的化学性质稳定、不易生锈，故又称为贵金属。一种金属元素与其他金属元素熔合而成的物质，称为合金。合金的物理性质已不同于原来的金属，一般合金比纯金属性能优异，合金可达到改善性能及研制新金属材料的目的。黑色金属及其合金黑色金属就是通常所说的钢铁。历史上，钢铁的出现晚于青铜。从使用青铜器到铁器的过渡标志着生产得到了质变的飞跃发展。这个转变在我国发生在春秋战国时期，即公元前770年到公元前221年间。黑色金属包括钢、铸铁和铁合金。在工程上，黑色金属得到了最广泛的应用。在结构和工具材料范围内，钢铁的用量占到了90%以上。钢铁之所

4、以会得到如此广泛的应用，是由于其具有优越的综合工程性能，包括力学性能（强度、刚度、冲击韧性等）、冷热加工成型性能、抗腐蚀性能等。此外，价格比较便宜也是重要原因。1.纯铁铁元素的符号是Fe。纯铁质软、价格昂贵，不能作结构材料使用。纯铁（或通常称为工业纯铁）的特点是：强度低、硬度低、塑性好。纯铁的用处不多。2.铸铁含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。由于工艺简单、价格便宜，铸铁在机械中有极其广泛的应用。如按重量统计，在汽车、拖拉机中铸铁件占50%-70%，在机床中占60%-90%。在铸铁中，碳是以石墨形式存在的。石墨的形态在很大程度上决定了铸铁的品种（灰口铸铁、白口铸铁、可锻铸铁和球墨

5、铸铁）和性能。1）灰口铸铁灰口铸铁以其断口面呈灰色而得名。灰口铸铁内，石墨呈片状。灰口铸铁以“灰铁”二字的汉语拼音首字母“HT”开头，后加其最低抗拉强度（以MPa为单位）来表示。如最常用的灰口铸铁牌号HT150。灰口铸铁在铸成后通常还需经热处理：消除内应力的退火（也称人工时效）；或消除白口、降低硬度的退火；或表面淬火以提高硬度和耐磨性。灰口铸铁在机器上有广泛用途，如制作机床床身、机架、机座和许多机器的外壳。2）球墨铸铁如浇注时在铁水中加入球化剂或孕育剂，则铸铁中的石墨将呈球状。这将使铸铁的抗拉强度及伸长率有较大提高。这种铸铁因其石墨以球状存在而得名。球墨铸铁的牌号为“球铁”二字的汉语拼

6、音首字母“QT”开头，后加抗拉强度（单位MPa）及伸长率（单位为%）构成。球墨铸铁通常也要后续热处理：为消除应力、改善切削性能的退火；或（和）细化组织、提高强度和耐磨性的正火；或（和）对小尺寸铸件的调质处理。球墨铸铁可以用来代替重要受力零件的锻件毛坯以降低制造成本，如内燃机的曲轴等。3）可锻铸铁可锻铸铁是在浇注成白口铸铁后，经过可锻化退火处理后形成。其仙石墨以团絮状存在，抗拉强度和伸长率均得以提高。但它实际上不像其名称那样可以锻造。日常水、煤气管道中的连接管件（三通管件、弯头、中低压阀门等）都是可锻铸铁件。有些机器的外形复杂、受力较大的零件也有用可锻铸铁的，如卡车的后桥。3.碳钢碳素钢

7、简称碳钢，就是含碳量在0.0218%-2.11%范围内的普通铁碳合金。在钢的熔炼过程中会带入许多杂质，杂质会影响碳钢的性能，尤其是有害杂质使钢的性能大幅度下降。因此，在炼钢的过程中，必须有效控制有害杂质的含量。1）碳钢中的杂质元素①锰（Mn）。碳钢中的锰元素因熔炼中使用锰铁脱氧而存在较多，含量可达0.25%-0.80%。锰元素的存在，可以降低碳钢的脆性，它还可与硫元素生成MnS，从而降低硫元素的有害作用，锰的存在还可以改善碳钢的热加工性能。因此