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1、,第3章 金属材料与工艺,大约在公元前4000年，人类进入青铜时代；大约在公元前2200年,人类已经会冶炼和使用铁器了。人类文明的发展史与金属材料的发明与应用历史是一致的。,赛斯卡椅（1929年）德马赛尔.布劳耶,金属材料按构成元素分：,3.1.4 按密度分按金属材料密度分为轻金属和重金属。轻金属的共同特点是密度小于4.5g/cm3：如铝的密度是2.7g/cm3，镁的密度是1.7 g/cm3，而钾的密度只有0.87 g/cm3，钠只有0.97 g/cm3；其次是化学活性稳定，与氧、硫、碳和卤素的化合物均非常稳定。重金属是指密度大于4.5 g/cm3的金属，约有45种。,3.1.3 按加工工艺分
2、按金属材料加工工艺分为铸造金属材料、变形金属材料和粉末冶金材料。,不锈钢盲道钉,二、延展性 金属的延展性是指可锤炼可压延的程度。当金属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。大多数金属具有良好的延性（抽丝），例如最细的白金丝直径不过1/5000mm；及展性（压薄片），例如最薄的金箔只有1/10000mm厚。在所有金属材料中，金（Au）的延展性最好；也有少数金属的延展性很差，如锰（Mn）、锌（Zn）等。,金属的延展性示意图,贴金箔工艺品,匕首,“微格金属”置于蒲公英上，0.9mg/cm3,钛合金飞机骨架,利用高熔点的钨丝灯泡,低熔点金
3、属汞温度计,七、导热性金属的导热性是指其传导热量的性能。金属容易导热的原理是由于金属晶体中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分，使整块金属快速达到相同的温度。金属的导热性则意味着其吸热快，散热也快。 一般而言，一般说导电性好的材料，其导热性也好。在金属材料中，银的导热性最好，其次是铜和金，铝和铁的导性一般，但铝的导热性比铁好。在产品设计中，常见利用金属的导热性好的特点，制作各类加热器具，如各类铁或铝质炊具，铜质冷凝管等。,一、优点,尺寸稳定性好,不易受到损伤，不易沾染灰尘及污物,耐久性好，不易老化,机械强度高,随着温度变化，性质变化小,耐热性好，不易
4、燃烧,产品制造成本高,易传热、导电，保温性能与绝缘性能差,易生锈，易腐蚀,制品质量重,不可根据需要随意着色或制成透明制品,不易于成型和加工,二、缺点,钢铁回收,融化过程,铸铁茶壶,铸铁下水道井盖,图3-7 铸铁应用示例,铸铁炒锅,铸铁轧辊,图3-7 铸铁应用示例,熟铁平底炒锅,熟铁铁艺花配件,一、碳素钢碳素钢是指碳含量低于2.11%，并有少量硅、锰以及磷、硫等杂质的铁碳合金。 (1)低碳钢：又称软钢, 含碳量从0.10至0.25%。易于接受各种加工如锻造, 焊接和切削, 常用于制造链条、铆钉、螺栓、轴等。 (2)中碳钢：含碳量0.250.60的碳素钢。热加工及切削性能良好，焊接性能较差。 (3
5、)高碳钢：常称工具钢 , 含碳量从0.60%至1.70%, 可以淬硬和回火。,3.3.2 钢钢，是对含碳量介于0.03%2.11%之间的铁碳合金的统称，为了保证钢的韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。,中碳钢唐刀,低碳钢,工艺：冷加工（弯曲）材料：镀锌低碳钢,合金结构钢零件,二、合金钢按合金元素含量：低合金钢（含量低于5%）,中合金钢（含量为5%10%）,高合金钢（含量高于10%）；按质量分：优质合金钢、特质合金钢；按特性和用途分：合金结构钢、合金弹簧钢、合金工具钢、不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、耐热钢、滚动轴承钢和特殊性能钢（如软磁钢、永磁钢、无磁钢）等。(1)合金结构钢：合金结构钢的含碳量较低
6、,一般在0.15%0.50%范围内。,工艺：金属注模材料：低合金钢,合金钢,合金弹簧,合金工具钢量具,304号不锈钢餐具,不锈钢水壶,材料：4mm厚不锈钢板,金属纺制品不锈钢丝制作，具有阻燃，独特装饰效果。主要用于包覆材料。, BUDDY低矮的桌子/凳子：外观来自两个互相融合的圆椎形，顶盖由不锈钢制成，可选择各种颜色和质地，打开以后还可当作容器使用。,（5）耐酸钢耐酸钢是指在酸、碱、盐等各种侵蚀性较强化学浸蚀性介质中耐腐蚀的钢。其中铬含量高达25%左右，镍含量高达20%左右。,耐酸钢调味瓶,（6）耐磨钢耐磨钢是指耐磨损性能强的钢铁材料的总称。,薄钢板在小汽车壳体上的应用,英国年轻的自由设计师b
7、enjamin hubert设计的由镀金的钢片折叠成的杂志书架,装饰钢板：在钢板基材上覆有装饰性面层的钢板。装饰钢板兼有金属板的强度、刚性和面层材料优良的装饰性与耐腐性，在高档和公用产品中得到重视，用于制造文件柜、档案柜、书柜等家具。装饰钢板的规格、厚度与普通钢板类似。为改善装饰面层的附着力，常选用镀锌钢板为基材。,电镀锌钢板表面喷塑,（2）钢带钢带实际上是很长的钢板，成卷供应，故也叫钢带。钢带宽度在1300mm以内，长度根据每卷的大小略有不同，厚度有小于4mm的薄钢带和大于4mm的厚钢带。,厚钢板,内膛是如何加工的？,三、型钢型钢是一种有一定截面形状和尺寸的条型钢材，是钢材中板、管、型、丝四
8、大品种之一。简单断面型钢有方钢、圆钢、扁钢、角钢、六角钢等；复杂断面型钢有工字钢、槽钢、钢轨、窗框框钢、弯曲型钢等。,圆钢:圆形断面的钢材。主要用于产品的零部件。, RE-TROUV户外靠椅，由镀锌钢线网编织而成，椅面为管状钢材和金属薄片。凉风穿堂而过，隐约花开形状。, Tripod凳子采用3组8毫米粗细的U形钢杆支撑，在室内的吧台和厨房都可以使用。,四、钢丝钢丝是用热轧盘条为产，经冷拉制成的再加工产品。钢丝的分类比较复杂。1.从形态的不同分类如下：按断面形状分类：主要有圆、方、矩、三角、椭圆、扁、梯形、Z字形等。按尺寸分类：有特细，直径小于0.1mm；较细，直径0.10.5mm；细，直径0.
9、51.5mm；中等，直径1.53.0；粗，直径3.06.0mm；较粗，直径6.08.0mm；特粗，直径大于8.0mm。按强度分类：有低强度，较低强度，普通强度，较高强度，高强度，特高强度。按化学成分（C含量）分类：低碳，小于0.25%；中碳，0.25%0.60%；高碳，大于0.60%。低合金钢，合金元素总含量小于3.0%，中合金钢，2.5%10.0%，高合金钢，大于10.0%。按表面状态分：有抛光，磨光、光面、酸洗、氧化处理、粗制、有镀层。,钢丝清洁球钢丝制作。价廉，易成型，坚硬。,BA椅（1945年）（英）欧内斯特瑞斯,变形铝型材,G5苹果铝合金机箱,三、铝合金的分类与应用按照加工方法可将铝
10、合金分为铸造铝合金和变形铝合金。变形铝合金：指采用轧制、冲压、弯曲、挤压等不同的压力加工方法使其组织、形状发生变化，制成的板、带、棒、管、型、条等半成品铝合金材料。,铸铝零部件, 铸造铝合金：可来直接浇铸各种形状零件的铝合金称为铸造铝合金。,铝合金制品,瑞士著名制造商Schindlersalmern设计生产。轻巧易叠放的铝质凳子由三片同样的铝片组装而成，有黑色，白色和银色三种可供用户选择。,Lockheed躺椅（澳）马克.纽森, Lockheed躺椅是纽森的处女作与成名作。全球共10把。据回忆，一种类似于一滴水银的流动金属溶液的幻象停在他脑海里挥之不去，这股念头攫住了他的心，他下决心把想象变为
11、现实。睡椅的造型来自一幅18世纪法国画中的马车座椅。椅子内壳由熔接在一起的玻璃纤维制作，铝片被砸成型后铆接上去，将末端突起浸入黑色橡胶溶液中形成椅腿。仅重20千克。花费好几个月时间完成。这把闪烁亚光的雕塑椅子不久就出现在多本杂志上，使刚毕业的纽森崭露头角。,铝质泡沫板材料：铝+陶瓷颗粒工艺：向熔化的金属熔液通入气泡特性：绝缘性好，高强重比，回收利用率高。用途：地板材料，厨房工作台板材内芯等。,镀金铝材料：铝+金特性：具延展性，优良的防腐蚀性，良好的导电导热性。用途：装饰材料，包装材料。,金属纺制品材料：铝纤维特性：独特装饰效果。用途：遮光材料。,发泡铝材料：铝合金特性：坚硬不易弯曲，高强重比，
12、不足10%实心铝重量，易于加工。用途：散热片、机翼结构、车档能量吸收装置、高强力板材结构、喷气发动机消音器等。,标准三芯绝缘电线电缆铜是万能金属。是传输电力的载体。具有悠久的历史，仅次于金。主要用于电线、发动机线圈、印刷电路、管道材料、加热材料、首饰、厨具炊具。,黄铜管,三、铜合金的分类与应用按合金成份不同分为：黄铜（铜锌合金、青铜（铜锡合金）、白铜（铜钴镍合金）；按产品形态的不同可分为：铜管、铜棒、铜线、铜板、铜带、铜条、铜箔等；按材料形成方法不同可分为：铸造铜和变形铜。黄铜：黄铜是由铜和锌所组成的合金，一般为三七黄铜和四六黄铜。,带有中国传统文化特征的黄铜饰件,四羊方尊 吴王夫差剑,青铜剑
13、,法国设计师Ingrid Donat和Vincent Dubourg设计的系列青铜产品,白铜文房用品（镇尺）,锌是继铝、铜之后第三种应用最广泛的金属材料。 闪着银光略带蓝灰色。增强人类的免疫系统。关键特性：熔点低，优良的可铸性，出色的防腐性，高强度高硬度，原材料廉价，具有保健性。典型用途：电子产品元件，黄铜的合金材料,镀层材料，移动电话天线，照相机的快门装置。,指纹锁面板,水龙头,电子产品边框,铰链,钛储量丰富却价格昂贵。 关键特性：高强重比，优良的抗腐蚀性，难以进行冷加工，良好的可焊性能，低导电性，低热涨率，高熔点。典型用途：高尔夫球杆、网球拍、便携式电脑、照相机、行李箱、外科手术植入物、飞
14、行器骨架、白色颜料等。,林德博格眼镜框,钛合金高尔夫球杆,苹果POWER Book G4钛合金外壳,徕卡Q钛合金灰色喷漆机身相机,18K金手镯,金砖,万宝隆钢笔,金属材料的固有特性,1）金属材料几乎都是有晶格结构的固体由金属键结合而成。2）金属材料是电与热的良导体。3）金属材料表面具有金属所特有的色彩与光泽。4）金属材料具有良好的延展性。5）金属可以与其他金属或氢、磷与硫等非金属元素在熔融态下形成金属，以改善金属的性能。6）除了贵重金属之外，几乎所有金属的化学性能都较为活泼，易于氧化而生锈，产生腐蚀。,金属产品成型工艺（一）,金属产品成型工艺（二）,表面装饰技术,机械处理,表面前处理,电化学处
15、理,化学处理,表面处理技术,结构和连接形式,金属产品成型工艺（三）,液态、棒状、块状、片状类金属材料产品常见的制造工艺流程,液态,板材、管材、线材类金属材料产品常见的制造工艺流程,常用的铸造材料有铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等，通常根据不同的使用目的、使用寿命和成本等方面来选用铸件材料。,砂型铸造工艺过程简图,图3-36 砂型铸造工艺过程简图,优点：铸造成型生产成本低，工艺灵活性大，适应性强，适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合批量生产。缺点：公差较大，容易产生内部缺陷。,图3-37 砂型铸造的分水阀,接吻造型的盐和胡椒粉罐工艺：砂型铸造材料：铝合金,熔模铸造工艺过程简图,低压力铸造,镦粗锻造
16、示意图,拔长锻造示意图,双面冲孔锻造法示意图 单面冲孔锻造法示意图,金属视频3-2-1-2-自由锻造.html,锻锤压紧弯曲法示意图 模弯曲法示意图,切割锻造法示意图,错移锻造法示意图,锻接锻造法示意图,扭转锻造法示意图,左图为锻铜浮雕。是手工锻造作品。手工锻造是一种古老的金属加工工艺，是以手工锻打的方式，在金属板上锻锤出各种高低凹凸不平的浮雕效果。,拔制加工工作原理图,挤压加工工作原理,挤压铝型材,分离型冲压工序的特点与应用范围（一）,分离型冲压工序的特点与应用范围（二）,成型冲压工序的特点与应用范围（三）,成型冲压工序的特点与应用范围（四）,车削工艺,车削加工,车削加工基本内容,铣削加工基
17、本内容,刨垂直面,刨削加工基本内容,钻削加工基本内容,镗削加工基本内容,马里奥博塔 椅架采用钢管弯曲焊接而成，椅面和椅背则由钢板冲孔弯折而成。此款设计充分利用金属材料本身固有的刚性和柔性来达到稳固结实和柔韧舒适的双重目的。,“猫鱼”剪子,三、胶接金属胶接是应用胶粘剂在金属的连接各大门户产生的机械接合力、物理吸附力、化学键合力而两个胶接件连接起来的接合方法。金属胶接工艺简单，设备低廉；由于操作环境可在常温下进行，因而胶接件接头应力分布均匀，不易产生变形。,六角头螺栓 特种形式螺栓,金属视频3-9-2-3-螺钉.html,表3-3：不同类别的螺栓及其应用范围,固定式：通过焊接或铆接将零部件结合在一
18、起。这种结构受力及稳定性好， 有利于造型设计，但同时也为表面处理带来了不便。其次的不足是占用空间大，不利于运输，因此，有些产品设计成可套叠式。,普通热处理过程示意图,车端面打中心孔粗车外圆倒角钻孔车内孔车内螺纹预切断倒角切断检验,例: 螺母的加工顺序如下：,.写出右边齿轮的加工工艺？,.写出右边金属轴的加工工艺？,小汽车的涂覆着色,喷砂彩色多用途钢碟碳含量越高，钢的硬度和强度就越高。低碳钢有着良好的延展性，中碳钢一般应用于建筑与工程领域，高碳钢主要用于制作刀具。,化学着色的不锈钢材料,电解着色的铝合金型材,是阳极氧化染色登山扣,Ramos|魔RM-808方形全金属黑色机身，显得非常有气质。硬朗
19、的线条，金属质感，采用高科技阳极氧化处理技术，比时下所谓UV亮面喷漆效果要更时尚前卫，彰显华丽贵气。,（荷）帕特荷恩艾克和诺伯荣格科椅子由7部分组成，采用2 mm厚的阳极氧化铝板，板材切割后经电脑打孔和压弯机弯曲成型，各部分采用固定螺栓（或铆钉）组装在一起。,手电筒（局部）工艺：表面阳极氧化着色材料：铝合金,不锈钢表面镀铬水龙头,工艺：表面镀铬（铬层厚度：0.006mm）材料：不锈钢/铜特性：硬度高，防腐蚀，不褪色。 高雅的设计造型，表面装饰性的镀铬层，使得水龙头具有精致细腻如镜面一般的抛光效果。将造型和材料表面效果完美的结合在一起，水流出来的时候，水龙头表面能倒映出水的姿态。,电铸工艺成型电
20、铸工艺是通过在模具表面缓慢积淀一层具有一定厚度的金属层来实现造型。该工艺简单，成本相对低廉。 另外，该工艺还有一个优点，即沿着模具表面形成的金属镀层厚度十分均匀。,在中国，景泰蓝、玉器、漆器和牙雕被称为传统工艺美术中的“四大名旦”,不锈钢表面热处理着色制品,图3-70 假锈做旧手提包,小刀刀脊部位表面锻打装饰,带塞子的不锈钢容器表面抛光效果,全不锈刚拉丝工艺外壳，不但在平面上增添更多凸凹有致的质感,更是使产品闪现cool炫金属光泽。,罗恩阿拉德镜面抛光工艺的应用，使得普通的餐桌变得及其生动活泼。想象一下坐在桌子旁吃水果并欣赏桌上风景的情景吧。即使坐在旁边也是一种享受。,金属镶嵌工艺品,不锈钢蚀
21、刻角尺,不锈钢水槽及其底部背面,例六：说明下图所示手机铝合金后盖的加工工艺过程。,水花溅起的刹那一直都是摄影爱好者的主题，因为具有涨力、短暂而珍贵，且每个水花都是独一无二的。设计师想表达的是将珍贵而短暂的时光置入日常生活中，并增添美感。水花果盘的柔和造型结合无懈可击的抛光表面，把不锈钢独有的美感展现的一览无余，外观形式和材料表面质感相互和谐辉映，营造出了栩栩如生的水滴波纹效果。,眼镜盒由一整片薄形哑光不锈钢片制成，盒身兼具强度与弹性，是一件完美地发挥不锈钢片材料内在特性的经典产品。由钢片到眼镜盒造型是一个十分精密的设计、计算、加工过程，盒体闭合完全靠钢片自身的弹性与强度来实现，整个产品没有用到
22、任何铰链、螺丝、焊接等工艺或外部元件。造型秉承了北欧传统的简约而强调功能的设计风格，表面研磨工艺的应用，使得产品更加朴素、简洁；整个设计的理念基于实现材料、造型及功能三者之间最完美的和谐状态。,这款铸铁水壶采用具有丰富表情的铸铁材质，经由手工铸造；此壶可用作茶壶或酒壶，内部附有过滤器，根据用途不同可以随意安装或取下，并且搭配具有一体感的底座，赋予独特的造型。在铸铁壶的设计灵感之初，黑川雅之是以素材、形状、光、影来思考：“铁元素的野性、粗糙的质感，配以何种形状体现和谐的美感，感受铁元素是有生命的物质，并与之对话，想像它被高温锻烧的感觉，感知一种设计素材就像感知一个鲜活的生命，并赋予它适合的形状和
23、造型，这个过程就像孕育生命”。该产品是日本的传统手工艺与现代设计的完美融合。,金属金属板材、管材、线材类产品制造常见的工艺流程,液态、棒状、块状、片状类金属材料产品常见的制造工艺流程,液态,带锯加工示意,圆锯加工示意,金属锯切,金属剪切,金属剪切,金属火焰切割,螺纹连接,金属浮雕,本章思要点1.简述金属材料的分类？2.简述金属材料的物理、力学、化学性能？3.简述金属材料的优缺点？4.简述黑色金属及其分类与应用？5.简述钢材的类别与应用？6.简述铝及铝合金的性能、分类与应用？7.简述铜及铜合金的性能、分类与应用？8.简述锌及锌合金的性能、分类与应用？9.简述钛及钛合金的性能、分类与应用？10.简述金、银、铂的特性与应用？11.简述金属材料的成型加工工艺？12.简述砂型铸造的工艺过程及优缺点？13.简述熔模铸造的工艺过程及优缺点？14.简述金属塑性加工的主要内容及各自的特点？15.简述金属切削加工的主要内容及各自的特点？16.简述金属连接的主要内容及各自的特点？17.简述金属热处理的主要内容及特点？18.简述金属表面着色的目的与内容？19.简述金属表面肌理的目的与内容？20.构思23款金属产品、金属+木质产品草图，并列出详细加工工艺流程?,
