1、第六章金属材料及加工工艺金属概述金属指的是由金属元素组成的单质，它以质地坚硬、良好金属光泽感、强度高、导电、导热等特点，成为现代工业设计中的主流设计材料之一。6 61 1 金属材料的固有特性金属材料的固有特性金属材料是金属及其合金的总称。金属的特性是由金属结合键的性质所决定的。金属的特性表现在以下几个方面：金属材料几乎都是有晶格结构的固体由金属键结合而成。金属材料是电与热的良导体。金属材料表面具有金属所特有的色彩与光泽。金属材料具有良好的展延性。金属可以制成金属间化合物，可以与其他金属或氢、硼、碳、氮、氧、磷与硫等非金属元素在熔融态下形成合金，以改善金属的性能。合金可根据添加元素的多少，分为二
2、元合金、三元合金等。除了贵金属之外，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。金属的机械性能 金属的机械性能也称之为力学性能，它是指金属材料在外力作用下所表现的抵抗能力，包括强度、硬度、刚度、塑性、弹性、延伸率、断面收缩率、冲击韧性和疲劳与疲劳强度等方面。1强度 强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。2硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。目前生产中测定硬度的方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面
3、，根据被压入程度来测定其硬度值。常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等方法。3刚度 金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。4塑性 塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。5弹性 弹性是指金属材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能恢复其原来形状的性能。6延伸率 材料在拉伸断裂后，总伸长与原始长度的百分比称为延伸率。7断面收缩率 金属的断面收缩率指的是金属材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积的百分比。8冲击韧性 以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。9疲劳与疲劳强度 疲劳是指在循环加载下，发生在材料某点处局部的、永
4、久性的损伤递增过程。经足够的应力或应变循环后，损伤累积可使材料产生裂纹，或使裂纹进一步扩展至完全断裂。出现可见裂纹或者完全断裂称为疲劳破坏。疲劳强度是指材料反复经受循环应力也不发生断裂的最大应力值。6.2 金属的工艺性能 所谓金属的工艺性能是指制件在加工制造过程中，金属材料在一定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如可焊性、可锻性、铸造性能、切削加工性能等。6.2.1 金属的成型加工 1铸造 金属铸造是指将金属熔化成液体，浇注于具有特定型腔的铸型中凝固成形的金属材料成型方法。铸造是液态金属充
5、填铸型型腔并在其中凝固和冷却的过程，液态金属的流动特性和凝固收缩特性直接影响着铸件的形成。与其他工艺方法相比，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，并适合于批量生产。但它的缺点是公差较大，容易产生内部缺陷。铸造的方法有许多，常用的有砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造等。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。(1)砂型铸造 砂型铸造为铸造生产中的最基本方法，砂型铸造的生产工序主要包括：制模、配砂、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理和检验。砂型铸造适应性强，几乎不受铸件形
6、状、尺寸、重量及所用金属种类的限制，工艺设备简单，成本低，为铸造业广泛使用。（2）熔模铸造熔模铸造是用易熔材料制成模样，然后再模样上涂耐火材料，经硬化之后，再将模样熔化，排出型外，获得无分型面的铸型，浇注即可获得铸件。也称失蜡铸造，是发展较快的一种精密铸造方法。制作母模：母模是铸件的基本模样，用于制造压型。可根据设计方案用适当的材料制作母模。制作压型：压型是制造蜡模的特殊铸型。压型常用钢或铝合金加工而成，小批量时可采用易熔合金、石膏或硅橡胶制作。用硅橡胶制作压型时，将母模均匀的刷上一层硅橡胶，然后贴一层纱布，如此反复五六次，视铸件的大小决定。外层用石膏固定，待硅橡胶模固化后，取出母模，即翻制得
7、硅橡胶膜压型。制作蜡模：制造蜡模的材料有石蜡、蜂蜡、硬脂酸和松香等，常用50%石蜡和硬脂酸的混合料。将熔化好的蜡料倒入压型内，同时不断的翻转压型，使蜡料均匀形成蜡模，待蜡模冷却后便可从压型中取出，修毛刺后即得蜡模。批量生产时则将多个蜡模组装成蜡模组。使用蜡棒粘接蜡模制作浇注流道，浇注流道要有浇注口和出口。制作型壳：在蜡模上均匀地刷一层耐火涂料（如水玻璃溶液），洒一层耐火砂，使之硬化成壳。如此反复涂三四次，便形成具有一定厚度的由耐火材料构成的型壳（洒耐火砂先细后粗）。脱蜡：将制作好的型壳放入炉中烘烤，将蜡模熔化流出并回收，从而得到一个中空的型壳。焙烧和造型：将型壳进行高温焙烧，以增加型壳强度。为
8、进一步提高型壳强度，防止浇注时型壳变形或破裂，可将型壳放在箱体中，周围用干砂填充。；浇注：将型壳保持一定温度，浇注金属溶液。脱壳：待金属液凝固后，去除型壳，切去浇口，清理毛刺，获得所需铸件。熔模铸造优点熔模铸造优点：没有分型面，型腔表面极光洁，故铸件的精度和表面质量均优；型壳是由耐火材料制成，可以适应各种高熔点合金；生产批量不受限制。熔模铸件的形状可以比较复杂，铸件上可铸出的最小孔径为1.5mm，铸件的最小壁厚为0.3mm。熔模铸造缺点熔模铸造缺点：材料昂贵、工序多、生产周期长、不易生产大件。用金属材料制作铸型进行铸造的方法，又称为永久型铸造或硬型铸造。适用于中小型有色金属（如铝、铜、镁及其合
9、金等）铸件和铸铁铸件的生产。金属型铸造优点金属型铸造优点：可承受多次浇铸，实现了“一型多铸”，节省工序，生产效率高；铸件精度及机械性能高。金属型铸造缺点金属型铸造缺点：成本高，周期长，工艺要求严格，对铸件的形状和尺寸有一定限制。（4）压力铸造压力铸造简称压铸，它是在高压作用下使液态或半液态金属以较高的速度填充铸型型腔，并在压力下凝固而获得铸件的方法。压力铸造优点：压力铸造优点：精度及表面质量高，强度及硬度高，生产率比其他方法均高，可铸形状复杂的零件。压力铸造缺点：压力铸造缺点：投资大，周期长，不宜进行大余量的切削加工等。（5）离心铸造（永久型铸造）是指将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离
10、心力的作用下充填型腔并凝固成形的铸造方法。优点优点：1）组织致密、力学性能好、气孔夹渣缺陷少，简化了中空圆柱形铸件的生产过程；2）可以加工出外表面纹理细致的产品。(1)锻造 锻造是将固态金属坯料加热到再结晶温度以上，然后利用锻造工具或设备对其进行锻打加工，使其在不分离条件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的制件的金属压力加工方法。常用的锻造方法有自由锻、模锻和胎模锻造。自由锻是将金属配料放在上下砥铁之间，施以冲击压力和静压力，使其产生变形的加工方法。模锻是将金属配料放在具有一定形状的锻模模膛内，是以冲击压力或静压力而使金属胚料产生变形的加工方法。手工锻造手工锻造有两种形式，一种是手
11、工自由锻，一般用于小型金属工艺品的制作，另一种是手工模锻，一般用于大中型金属工艺品的制作。手工自由锻:是指在金属板上自由锻造成型，具体过程是(以紫铜浮雕为例):首先将铜皮用汽油喷灯进行加温烧至红色，这一过程称为退火，目的是使铜的分子结构重组使之变软。将设计好的图案画在铜皮上，用錾子将轮廓錾出。根据预先的设计，将铜皮放在沙袋上，用锤子和錾子锻出大的凹凸起伏。将铜皮用胶固定在一张平板上，用各种型号和形状的錾子錾出一些，精细的造型，期间需要多次退火。将制作好的作品放在铁垫板上找平，然后整理好边缘。将作品需要抛光的地方进行抛光，然后进行电镀化学着色防腐等后处理。手工模锻手工模锻是指先做好母模再进行锻造
12、成型，具体过程是，以紫铜浮雕为例：首先按设计构思，制作好浮雕泥胚。将泥胚，翻制成玻璃钢。将铜皮用汽油喷灯过火，烧至红色进行退火。将浮雕按区域分成几个大块面。将锻好的块面焊接在一起找平然后抛光。将作品进行或电镀或化学着色或防腐等后处理。(2)轧制 轧制是将金属坯料通过一对旋转轧辊间的间隙（间隙可以按要求设计成不同形状），因受轧辊的压缩使材料产生塑性变形，截面减小，长度增加，同时获得一定截面形状的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用于生产型材、板材、管材。按轧制方式分为横轧、纵轧、斜轧、楔横轧等，按轧制温度则可分为热轧和冷扎。热轧热轧是将材料加热到再结晶温度以上进行轧制，热轧变形抗力
13、小，变形量大，生产效率高，适合轧制较大断面尺寸，塑性较差或变形量较大的材料。冷轧冷轧则是在室温下对材料进行轧制。与热轧相比，冷扎产品尺寸精确，表面光洁，机械强度高。冷扎变形抗力大，变形量小，适于轧制塑性好，尺寸小的线材、薄板材等。(3)拉拔 拉拔是将金属坯料拉拔通过具有一定形状的模孔从而获得具有所需断面形状和尺寸的小截面毛坯或制品的工艺过程。由于拉拔多在冷态下进行，因此也常被称为冷拔或冷拉。拉拔主要用于各类金属细线材、薄壁管及各种特殊几何形状的型材的生产。拔制产品尺寸精确，表面光洁并具有一定机械性能。低碳钢和多数有色金属及合金都可拔制成型，多用于生产管材、棒材、线材和异型材等。(4)挤压 挤压
14、是指将金属坯料放入挤压筒内，在压力作用下使坯料从模孔中挤出，从而获得符合模孔截面的坯料或制件的加工方法。按照金属流动方向和凸模运动的方向不同，挤压可分为正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压四种。适合于挤压加工的材料主要有低碳钢、有色金属及其合金。通过挤压可以得到多种截面形状的型材或零件。(5)板料冲压板料冲压是利用装在压力机上的冲模，对板料加压，使其产生分离或变形，从而获得所需制件的一种压力加工方法。分为热冲压和冷冲压（薄板加工）。按冲压加工功能分为分离加工和成型加工。分离工序又称冲裁工序，主要是通过冲压工艺将冲压件与板料按一定的轮廓线进行分离，主要包括冲孔、落料、剪切和修整等。成型工序是在保持
15、板料完整性的条件下使之产生塑性变形而形成所需形状与尺寸的工件。其特点是通过塑性变形达到加工目的，且变形过程中不发生破坏或不失去稳定性，常用的成型工序有弯曲、扭曲、拉深、翻边、翻孔、胀形、卷圆、卷边、旋压等。3金属切削加工 又称为冷加工。金属切削加工是利用刀具和工件作相对运动，从毛坯（铸件、锻件、条料等）上切去多余的金属，以获得符合尺寸、形状、位置和表面粗糙度等要求的金属制件的加工方法。金属切削加工是现代制造工业中所占比重最大、用途最广和最基本的金属加工方法，主要可分为钳工和机械加工两部分。钳工一般是通过工人手持工具进行切削加工的。钳工加工方式多种多样，使用的工具简单、方便灵活，是装配和修理工作
16、中不可缺少的加工方法。机械加工简称机工，主要是通过机床等机械设备来完成切削加工的。其主要加工方法有车削、钻削、铣削、刨削、磨削、镗削等。4.金属的连接 许多情况下，通过不同方式成型加工后的金属制件需要被连接在一起才能成为最终的制品或进行进一步的加工。金属制件的连接方式很多，通常可分为焊接、机械连接和胶接三大类。各种连接方法在连接强度、外观质量、可靠性及经济性等方面都有所不同，也各有各的特点。(1)焊接 金属焊接是通过加热、加压等手段，使金属件间产生原子间结合的加工工艺和连接方式。金属焊接方法有很多，主要分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。焊接加工通过加热或加压，或两者并用，借助于金属原子扩散和结合
17、，使分离的材料牢固地连接在一起的加工方法。焊接方法的种类很多，按焊接过程特点可分为三大类：熔焊这类方法的共同特点是把焊接局部连接处加热至熔化状态，形成熔池，待其冷却结晶后形成焊缝，将两部分材料焊接成一个整体。因两部分材料均被熔化，故称熔焊。压焊在焊接过程中需要对焊件施加压力（加热或不加热）的一类焊接方法。钎焊利用熔点比母材低的填充金属（称为钎料）熔化后，填入接头间隙并与固态的母材通过扩散实现连接的一种焊接方法。焊接具有连接性好、省工省料、成本低、重量轻、可简化工艺等优点，得到广泛应用。但同时也存在一些不足之处，如结构不可拆，更换修理不方便；存在焊接应力，容易产生焊接变形；容易出现焊接缺陷等。(
18、2)机械连接 金属的机械连接指的是利用紧固件将金属制件连接起来的过程和方法。在现代工业生产中，机械连接早已是不可或缺的一种金属连接方式。机械连接一般可分为铆接和螺纹连接两种，常用的机械紧固件主要有螺栓、螺钉、垫片、铆钉等。机械连接的优点在于它比胶接或焊接等连接技术可靠，而且容易更换。(3)胶接 金属胶接是利用胶黏剂在连接面上产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力而使两个胶接件连接起来的工艺方法。胶接不仅可用于金属间的连接，也适用于金属与非金属材料间的连接。胶接工艺简便，不需要复杂的工艺设备，胶接操作不必在高温高压下进行，因而胶接件不易产生变形，接头应力分布均匀。在通常情况下，胶接接头具有良好
19、的密封性、电绝缘性和耐腐蚀性，但要注意的是胶接的可靠性不及焊接和机械连接。5.粉末冶金粉末冶金是以金属粉末或金属化合物粉末为原料，经混合成型和烧结获得所需形状和性能的材料或制品的工艺方法，其主要工序为:粉末原料的制取和准备，将粉末加工成所需形状的胚料。将胚料在低于主要组元熔点的温度下进行烧结，使之获得最终的性能。常用的金属粉末有铁，铜，镍，钴，钨，钼，铬和钛等粉末，合金粉末有镍青铜，铝合金，钛合金，高温合金，低合金钢和不锈钢。金属的热处理是金属材料在固态下经加热、保温和冷却，以改善材料性能的工艺。热处理可以改善毛坯的切削加工性、钣金件的成形性和材料的机械、物理和化学性能，使制件具备设计要求的性
20、能，同时通过热处理还可以消除制件和焊接件中的有害残余应力，稳定制件的尺寸。金属热处理工艺大体可分为普通热处理、表面热处理和化学热处理等。6.2.2金属的热处理 1普通热处理 普通热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。A、退火是将金属加热到临界温度（Ac3或Ac1,即600850度）以上，保温一段时间后，以较慢的速度冷却，使其组织结构接近均衡状态，从而消除或减少内应力，均化组织和成分，有利于加工作业。B、正火是将金属加热到临界温度以上30-50度,保温适当时间后，在室温下空气中进行冷却，是一种特殊的退火处理。C、淬火是将金属加热至临界温度以上，保温后快速冷却至室温，以达到强化金属组织，
21、提高金属的强度、硬度等机械性能。D、回火是将淬火后的金属重新加热，再进行保温冷却。其目的是为了消除淬火应力，以达到所要求的组织和性能。2表面热处理 表面热处理包括表面淬火和化学热处理：表面淬火是通过快速加热金属表面层至所要求的温度，然后进行淬火，以提高金属表面的硬度和耐磨性。可分为感应淬火和火焰淬火。化学热处理是将金属工件置于一定活性介质中加热保温，使介质元素渗入工件表面，改变其表面的化学成分和组织结构，使表面达到预期要求的性能。常用的化学热处理包括渗碳(提高强度和耐磨性)、渗氮(提高强度,耐磨性,疲劳性质,耐腐蚀和热硬性)和氮碳共渗(又称氰化)。3、特殊热处理 特殊热处理是利用一些特殊工艺方
22、法进行热处理，通常有形变热处理、磁场热处理等。金属材料或制品的表面受到大气、水分、日光、盐雾细菌和其它腐蚀性介质等的浸蚀作用，会引起金属材料或制品失光、变色、粉化或裂开，从而遭到损坏。金属材料表面处理及装饰的功效一方面是保护作同，另一方面是装饰用。6.2.3金属的表面处理技术 1金属表面前处理 在对金属制品进行表面处理之前，往往会进行前处理或预处理，目的是使其表面达到可以给以表面处理的状态。金属制品表面的前处理工艺包括有金属表面的机械处理、化学处理和电化学处理等。延长使用寿包括有金属表面的机械处理、化学处理和电化学处理等。机械处理是通过切削、研磨、喷砂等加工清理制品表面的锈蚀及氧化皮等，处理后
23、的表面会变得平滑或形成凹凸等肌理；化学处理的作用主要是清理制品表面的油污、锈蚀及氧化皮等；电化学处理则主要用以强化化学除油和侵蚀的过程，有时也可用于弱侵蚀时活化金属制品的表面状态。2金属表面装饰金属材料表面装饰技术是保护和美化产品外观的手段，主要分为表面着色工艺和肌理工艺。(1)金属表面着色工艺A、化学着色：在特定的溶液之中，通过金属表面与溶液发生化学反应，在金属表面生成带色的基体金属化合物膜层的方法。B、电解着色：在特定的溶液中，通过电解处理方法，使金属表面发生反应而生成带色膜层。C、阳极氧化染色：在特定的溶液中，以化学或电解的方法对金属进行处理，生成能吸附染料的膜层，在染料作用下着色，或使
24、金属与染料微粒共析形成复合带色镀层。染色的特征是使用各种天然或合成染料来着色，金属表面呈现染料的色彩。染色的色彩艳丽，色域宽广，但目前应用范围较窄，只限于铝、锌、镐、镍等几种金属。D、镀覆着色：采用电镀、化学镀、真空蒸发沉积镀和气相镀等方法，在金属表面沉积金属、金属氧化物或合金等，形成均匀膜层。E、涂覆着色：采用浸涂、刷涂、喷涂等方法，在金属表面涂覆有机涂层。F、珐琅着色：在金属表面覆盖玻璃质材料，经高温烧制形成膜层。G、热处理着色：利用加热的方法，使金属表面形成带色氧化膜。H、传统着色技术：包括做假锈、汞齐镀、热浸镀锡、鎏金、鎏银以及亮斑等。(2)金属表面肌理工艺金属表面肌理工艺主要是通过锻
25、打、打磨、镶嵌、刻划、腐蚀等工艺在金属表面制作出肌理效果。表面锻打：使用不同形状的锤头在金属表面进行锻打，从而形成不同形状的点状肌理，层层叠叠，十分具有装饰性。表面抛光：利用机械或手工以研磨材料将金属表面磨光的方法。表面抛光又有磨光、镜面、丝光、喷砂等效果。根据表面效果的不同，使用的工具和方法也不尽相同。表面镶嵌：在金属表面刻画出阴纹，嵌入金银丝或金银片等质地较软的金属材料，然后打磨平整。呈现纤巧华美的装饰效果。表面蚀刻：是使用化学酸进行腐蚀而得到的一种斑驳、沧桑的装饰效果，具体方法如下：首先在金属表面涂上一层沥青，接着将设计好的纹饰在沥青的表面刻画，将需腐蚀部分的金属露出。下面就可以进行腐蚀
26、了，腐蚀可以视作品的大小，选择侵入化学酸溶液内腐蚀和喷刷溶液腐蚀。一般来说，小型作品选择浸入式腐蚀。化学酸具有极强的腐蚀性，在进行腐蚀操作时一定要注意安全保护。6.2.4金属的特种加工特种加工是直接利用电、热、声、光、化学等能量，或将它们与机械能结合，对材料进行加工的非传统加工方法的统称。特种加工特点在于它基本不用机械能，因此也基本不受加工对象的机械性能的影响。常见的特种加工方法有电火花加工、电化学加工、高能束加工、超声波加工、等离子体加工、化学加工、水射流切割等。金属材料种类繁多，按照不同的要求又有许多分类方法：按金属材料构成元素分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料包括铁和以铁为基体
27、的合金。如纯铁、碳钢、合金钢、铸铁、铁合金等。有色金属包括铁以外的金属及其合金。常用的有金、银、铝及铝合金、钛及钛合金等。按金属材料主要性能和用途分为金属结构材料和金属功能材料。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。按金属材料密度分为轻金属。(密度45gcm3)和重金属密度45gc m3)6.3 常用的金属材料工业上应用最广泛的金属材料是钢铁材料，其产量约占金属材料总产量的90以上。钢铁材料之间主要的区别是含碳量不同，根据含碳量多少、钢铁材料可分为三大类：工业纯铁含碳量不超过002的铁碳合金，工业纯铁虽然塑性好，但强度低，很少用作结构材料和外观材料。钢含碳量为0.02
28、211的铁碳台金，另含有少量磷、硫等杂质元素。钢的种类繁多，根据化学成分，可分为碳素钢和合金钢两大类，广泛应用于名个领域。铸铁含碳量为2114.0的铁碳合金，铸铁是一种使用历史悠久的重要工程材料。其熔点低，具有良好的铸造性能，切削性能及耐磨性和减振性，生产工艺简单，成本低廉，可用来制造各种具有复杂结构和形状的零件。常用的铸铁材料有灰口铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁。6.3.1 钢铁材料纯纯铁铁铸铁铸铁灰口铸铁灰口铸铁1 钢的分类(1)碳素钢 碳素钢又称碳钢，含碳量低于211的铁碳合金。除铁、碳及限量以内的硅、锰、磷、硫、氧等杂质外，不含其它合金元素。碳素钢按含碳量可分为：低碳钢(含碳量025以下)低
29、碳钢具有低强度、高塑性、高韧性及良好的加工性和焊接性，适合制造形状复杂和需焊接的零件结构件。中碳钢(含碳量0250.6)中碳钢具有一定的强度、塑性和适中的韧性，经热处理而具有良好的综合力学性能，多用于制造要求强韧性的齿轮、轴承等机械零件。高碳钢(含碳量0.6以上)高碳钢具有较高的强度和硬度，耐磨性好，塑性和韧性较低，主要用于制造工具、刃具、弹簧及耐磨零件等。碳素钢按质重可分为普通钢、优质刚和高级优质钢。碳素钢按用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。碳素钢是一种用量大、用途广的金属材料，多制成不同规格的板材、管材、型材、线材及铸件。广泛用于建筑、桥梁、车辆、化工等各领域。低碳钢低碳钢高碳钢高碳钢
30、(2)合金钢 以碳素钢为基础适量加入一种或几种合金元素的钢，吕有较高的综合机械性能和某些特殊的物理、化学性能。合金元素可改善钢的使用性能和工艺性能，常用的有硅、锰、铬、镍、钨、钼、铁、硼等。合金钢按合金元素总含量分为低合金钢总含呈5以下)、中合金钢(总含量510)和高合金钢(总含重10以上)；合金钢按合金元素种类分为铬钢、镍钢、锰钢、硅钢、铬镍钢、锰硅钢等；合金钢按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特种合金钢(如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等)。2 常用钢材的品种及用途钢材由钢坯或钢锭加工而成的产品.通常分为型钢、钢板、钢管、钢丝等4大类。采用轧制、挤压、拉拔、焊接、冷弯等工艺加工，广泛用于各工业部门
31、。1）型钢 具有一定几何形状截面、且长度和截面周长之比相当大的直条钢材。按生成方法可分为热轧型钢、弯曲型钢、挤压型钢、拔制型钢和焊接型钢等；按截面形状可分为圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、工字钢、槽钢和异形钢等。型钢的规格以反映截面形状的主要轮廓尺寸来表示。2）钢板 用钢坯或钢锭轧制而成，且宽厚比很大的矩形板材。按生成方法可分为热轧钢板和冷轧钢板；按质量分为普通钢板、优质钢板和复合钢板；按表面处理方式分为镀层钢板和涂层钢板；按厚度分为薄钢板(厚度小于4mm)、厚钢板(厚度460mm)和特厚钢板(厚度大于60 mm)。钢板可按要求剪裁、弯曲、冲压和焊接成各种构件和产品。常见的钢板品种有：钢带：又
32、称带钢、为长度很长，大多成卷供应的钢板。宽度在600 mm以下的称为窄带钢，超过600 mm的称为宽带钢。分为热轧带钢和冷轧带钢。前者在热轧机上轧制，厚度16mm。主要做为冷轧用带钢以及焊缝钢管、冶弯和焊接型钢的原料；后者用热轧带钢再冷轧而成，厚度0.13mm，具有表面光洁、平整，尺寸精度高，机械性能好等优点，大多加工成涂层带钢、供汽车、洗衣机、电冰箱外壳等冲压件用。冷轧带钢还广泛用于制造焊缝钢管、弹簧、锯条、刀件及各种冲压制品。覆层钢板：在具有良好深冲压性能的低碳钢板表面镀覆锡、锌、铝、铬等金属保护层或涂覆有机涂层、塑料等非金属保护层的制品。包括镀锌钢板、镀锡钢板、无锡钢板、镀铝钢板及有机涂
33、层钢板等，昌有良好的抗蚀性和外观装饰性，在工业上广泛使用。镀锌钢板表面镀锌的低碳钢板。镀锌能有效的防止钢材腐蚀，延长使用寿命。镀锌方法分为热镀法和电镀法。镀锌薄钢板(厚度约0.412mm)又称镀锌铁皮、俗称白铁皮。镀锌钢板广泛用于建筑、车辆、家电、日用品等行业。镀锡钢板表面镀有纯锡层的低碳钢薄板，俗称马口铁。镀锡方法有热镀和电镀两种。镀锡钢板表面金属光泽强，具有良好的耐腐蚀性、焊接性，深冲压时有润滑性，并能进行彩色印刷。广泛用来制作罐头盒、食品容器及轻便耐蚀器皿等。无锡钢板不镀锡却可替代镀锡钢板使用的薄钢板。一般采用电解铬酸法处理钢板表面：先在低碳钢板表面镀一层金属铬，然后再镀铬的水合氧化物。
34、无锡钢板生产成本低，可代替镀锡钢板，用作啤酒、饮料等罐装包装材料。镀锌钢板镀锌钢板马口铁（镀锡钢板）马口铁（镀锡钢板）无锡钢板无锡钢板 镀铝钢板表面镀有纯铝或含硅量为510 铝合金的覆层钢板，多用热镀法、电泳法和真空蒸镀法生产。具有良好的抗高温氧化性、热反射性和优良的耐大气腐蚀性(可抵抗二氧化硫、硫化氢和二氧化氮等气体的腐蚀)，多用作汽车排气系统、耐热部件及建筑材料等。真空蒸镀铝钢板可作为罐体、瓶盖等包装材料，部分代替镀锡钢板。有机涂层钢板覆层钢板的一种，通常在冷轧钢板、镀锌钢板或镀铝钢板表面涂匿有机涂料或薄膜，一般采用辊涂法或层压法生产。有机涂层钢板既有钢板的强度，又有良好的耐腐蚀性、耐久性
35、和耐擦洗性。表面制成不同色彩和花纹图案、装饰性极强，故有彩色钢板之称。广泛用作建筑材料、汽车制造、电器工业和电冰箱、洗衣机等的原材料。花纹钢板表面带有凹凸花纹的钢板。花纹主要起防滑和装饰作用，可经热轧冶轧或钻切加工制成。广泛用于造船、汽车、交通、建筑等行业。不锈钢板不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐溶液或其他腐蚀介质中具有高耐蚀性的合金钢的总称。钢中的主要合金元素铬的含量通常达12以上，主要用来制造在各种腐蚀介质中工作的零件或构件。(3)钢管 中空的棒状钢材，截面多为圆形，也有方形、矩形和异形。按生成方法分为无缝钢管和焊缝钢管。无缝钢管采用热轧、冶轧、挤压、冷拔等方法生产，由于截面封闭无焊缝、具
36、有较高的承载压力，适合作高强度钢管、特殊钢管和厚壁钢管。焊缝钢管用钢板或钢带卷曲成筒状焊接而成表面质量好、尺寸精度高。生产效率高，成本低。按焊缝形状可分为直缝焊管和螺旋缝焊管。生产薄壁管和大口径管采用焊接方法比较方便。钢管广泛用来输送流体和制造机械构件。(4)钢丝用不同质量的热轧盘条冷拔拉制而成的线状钢材。按截面形状可分为圆形、椭圆形、三角形和异形钢丝；按尺寸可分为特细(小于0.1mm)、较细(0.10.5mm)、细(0.51.5mm)、中等(1.53mm)、粗(3.06.0mm)、较粗(6.08.0 mm)、特粗(大于80mm)钢丝；按化学成分分为低碳、中碳、高碳钢丝和低合金、中合金、高合金
37、钢丝；按表面状态分为抛光、磨光、酸洗、氧化处理和镀层钢丝等；按用途分为普通钢丝、结构钢丝、弹簧钢丝、不锈钢丝、电工钢丝、钢绳钢丝等。6.3.2 有色金属材料1、铝及铝合金 铝及铝和金是工业用量最大的有色金属，是一种常用的现代材料。铝具有较优良的特性。纯铝密度小，约为2.7gcm3，相当于铜的三分之一，属轻合金，熔点660。铝的导电、导热性优良，仅次于铜。其导电率约为铜的64。铝在结晶后具有面心立方品格、具有很高的塑性，可进行各种塑性加工。纯铝为银白色，铝与氧的亲合力很大、能形成一层致密的三氧化二铝氧化膜，隔绝空气防止进一步氧化，因此在大气中有良好的抗氧性，但氯离子和碱离子能破坏铝的氧化膜，不耐
38、酸、碱、盐的腐蚀。铝合金是以铝为基体加入其它合金元素(铜、硅、镁、锌、锰、镍等)而组成的合金。铝合金质轻、强度高，比强度值接近或超过钢，具有优良的导电、导热性和抗蚀性，易加工，耐冲压，并且可以阳极氧化成各种颜色。(1)铝合金的分类 铝合金通常分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又称可压力加工铝合金，塑性良好，可通过轧制、挤压、拔制、锻造等冷、热加工制成板、棒、管和型材等产品，是优良的轻型材料。变形铝合金按性能和使用特点，可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。广泛用作工程结构材料、工业造型材料和建筑装饰材料等。铸造铝合金按主要合金元素可分为铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系合金，具有
39、良好的铸造性能和一定的力学性能。但塑性差，不能进行塑性加工。多采用砂型、金属型、熔模壳型的铸造方法，生产各种形状复杂，承载不大，重量较轻且有一定耐蚀、耐热要求的铸件。(2)常见铝合金品种铝合金型材：利用塑性加工将铝合金坯锭加工成不同断面形状及尺寸规格的铝材。按断面形状分为角、槽、丁字、工字、Z字等几大类别，而每一类别又有若干品种，如角型材分为直角、锐角、钝角、带圆头、异形等。铝合金型材具有质轻、高强、耐蚀、耐磨等特点，表面再经阳极氧化或喷涂处理而更具装饰性。广泛用作产品造型材料、展示材料、门窗框体材料、墙面和吊顶骨架支承材料等。铝合金装饰板：铝合金板材经辊压、冷弯等工艺制成的具有一定形状的装饰
40、板，表面经阳极氧化、喷漆、覆膜或精加工等处理可获得各种色彩或肌理。铝合金装饰板质轻，耐久性和耐蚀性好，不易磨损，造型优美，安装方便。品种有铝合金花纹板、波纹板和压型板等，广泛用作建筑物墙面、屋面装饰材料和展示材料。铝箔：铝箔是金属箔中用量最大、日用途最广的一种包装材料，铝箔采用压延方法压制而成，它不但对氧气、光线和水蒸汽具有高阻隔性，而且具有艳丽的金属光泽，可印制美丽的图案，可与塑料薄膜复合成复合薄膜，因此，铝箔广泛用于各种商品的包装。铝箔的主要包装性能是防潮性、保香性、遮光性和反射性。防潮性：铝箔的防潮性能极优良，厚铝箔的防潮性更为突出。在药品防潮方面，铝箔的应用特别引人注目，如药品的泡罩包
41、装等。保香性：铝箔具有卓越的保香性。食品和化妆品的香味是很重要的质量指标。香味通常是由极微量的挥发性物质产生的，人们通过铝箔包装材料来阻隔香味，除了可防止内装物的香味扩散以外，还可防止外部异味的渗入。遮光性：铝箔是一种极好的遮光材料。采用铝箔包装材料，能阻隔光线对商品的直接照射，对提高商品的保存寿命起了重要的作用。反射性：铝箔具有金属光泽，对紫外线、红外线等各种射线有强力的反射作用。铝塑复合膜：通常铝箔较少单独用于包装，因为铝箔很柔软，不适宜高速包装，往往要进行二次加工才能把铝箔的特性进一步发挥出来。对铝箔进行树脂涂布或把铝箔与其它塑料进行复合，能使铝箔的机械强度增强，并具有热封性能，从而适应
42、现代包装机的高速自动包装。常用的铝塑复合膜有ALPE，用于包装巧克力等；OPPPEALPE，用于包装奶粉、茶叶、化妆品和药品等；PETALCPP、为三层耐蒸煮材料，用于包装肉、禽类等软罐头；OPPALPE，用于包装榨菜、奶粉和药品等。真空镀铝膜：是一种新颖的包装装潢材料，是将高纯度铝丝置于高真空装置中，将铝丝加热到熔融点以上，铝丝蒸发形成铝蒸气，蒸气分子连续沉积在被涂基材上而形成的一种复合膜。与铝箔相似，镀铝层具有美丽的金属光泽，有优良的阻气性和防潮性，光线的反射率高而透过率极低，遮光性良好，适合各类商品的包装。真空镀铝膜的基材可采用聚酯薄膜、双向拉伸聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚乙烯薄膜和纸等
43、。另外，镀铝前在薄膜基材上涂布一层透明的颜色，就可获得多种颜色的金属光泽，这些五彩缤纷的材料特别适用于礼品包装。真空镀铝膜若与聚乙烯进行复合则具有更大的应用范围、如 PET银铝PE，在PET膜上印刷图案及商标，把印刷好的PET膜进行真空镀铝，然后与PE进行复合，即组成复合膜，这类材料具有高光泽的金属质感，阻气性和防潮性好，机械强度高，可采用热封，是一种良好的包装装潢材料，深受包装装潢界的欢迎。2、铜及铜合金铜及铜合金是历史上应用最早的有色金属，工业上常用的有紫铜、黄铜、青铜、白铜等。纯铜具有玫瑰色，表面氧化后呈紫色，故又称紫铜。纯铜的熔点为10830C，密度8.9gcm3。具有面心立方晶格、无
44、同素异构转变。纯铜质地柔软有极好的延展性，具有良好的加工性和焊接性。易冷、热加工成形，可辗压成极薄的铜箔、拉制成极细的铜丝。纯铜的化学稳定性高，在大气、淡水中均有优良的抗蚀性，在非氧化性酸(如盐酸、氢氟酸等)溶液中也能耐蚀，但在海水和氧化性酸(如硝酸、浓硫酸等)中易被腐蚀。纯铜的导电、导热性极好，仅次于银。抗磁性强，常用作电工导体和各种防磁器械等。铜合金是以铜为基材加入一定量的其他合金元素(锌、锡、铝、硅、镍等)而组成的合金。按化学组成分为黄铜、青铜、白铜；按加工方法分为变形铜合金和铸造铜合金。变形铜合金具有良好的塑性，可利用压力加工成型、制成板、带、管、棒和线材；铸造铜合金塑性差，不能利用压
45、力加工、但铸造性良好，广泛用于生产强度高、致密性好的铸件。铸造铜合金在工艺美术方面也有广泛应用，多用于铸造仿古铜器。(1)黄铜 (CuZn合金)以锌为主要合金元素的铜合金。分为普通黄铜(仅含锌的二元合金)和特殊黄铜(含锌及其它合金元素的多元合金)。黄铜色泽美观，具有高贵的黄金般色泽，导电导热性强，耐腐蚀性能、机械性能和工艺性能良好，易于切削、抛光及焊接。可制成板材、带材、管材、棒材和型材。用作导热导电元件、耐蚀结构件、弹性元件、冷冲压件和深冲压件、日用五金及装饰材料等。(2)青铜 除黄铜、白铜以外的其它铜基合金统称为青铜，常用的合金元素有锡、铝、硅、锰、铬等。根据合金元素种类，青铜分为普通青铜
46、和特殊青铜。普通青铜是以锡为主要合金元素，含锡量为520，又称锡青铜(CuSn合金)，其色泽呈青灰色，具有很强的抗腐蚀性。根据成分中锡的合量，锡青铜又分为加工锡青铜和铸造锡青铜。加工锡青铜含锡量低于67，具有良好的力学性能和工艺性能，耐磨，可加工成各种规格的板、带、管、棒材；铸造锡青铜含锡量1014，质地较为坚硬，铸造性好，可用于生产形状复杂、轮廓清晰的铸件。特殊青铜泛指不含锡的青铜，如铝青调、铍青铜、锰青铜等。大多数特殊青铜比普通青铜具有更高的机械性能、耐磨性和耐蚀性。(3)白铜(CuNi合金)以镍为主要合金元素的铜合金，色泽呈白色，质地较软，耐腐蚀性好。铜合金中镍含量的增加，白铜的强度、硬
47、度、弹性和耐蚀性等性能相应提高。仅由铜和镍组成的合金称为普通白铜，若再加入锌、铝、锰等合金元素，则称为特殊白铜，如锌白铜、铝白铜、锰白铜等。工业上白铜分为结构白铜和电工白铜。前者的机械性能好，易进行冷、热加工和焊接，能加工成板、棒、管、线等产品，广泛用作耐蚀构件及弹簧等；后者热电性能良好，多用作电阻元件、热电偶材料等。6.3.3其它合金金属1、钛及钛合金 纯钛为银白色高熔点轻金属，熔点16750C，密度4.54gcm3，具有优良的耐腐蚀性和耐热性，抗氧化能力强，稳定性好，有一定的机械强度，比强度值高，塑性好，易成型加工。钛合金是以钛为基材加入适量的铬、锰、铁、铝、锡等元素而形成的多元合金。根据
48、合金组织结构，可分为钛合金、钛合金和钛合金；按用途可分为耐热合金、耐蚀合金、高强合金、低温合金和特殊功能合金。钛和钛合金多采用金属塑性加工方法制成不同规格的板、带、管、棒、线、箔和型材。作为新型的结构材料，广泛用于航空、化工、机械等工业。钛和钛合金还可用作镀覆材料，具有优良的耐腐蚀性和良好的装饰性。2、锡和锡合金 锡为低熔点金属，熔点231.90C，密度(200C)73gcm3。同质异晶转变，13.20C以下为锡，又称灰锡；13.2至熔点为锡，又称白锡。锡耐大气腐蚀性好，化学性稳定，常用作镀层材料，如镀锡钢板。锡的强度和硬度低，但延展性好，易加工，可加工成箔、板、管、棒材等。锡也常作为其他合金
49、中的合金元素。以锡为基材加入其他合金元素(如锑、铅、铋、铜、砷、镍、锌等)所组成的合金，则称为锡合金。锡合金的熔点低，导热性好，耐蚀性和耐磨性优良，易与铜、铜合金、铝合金焊接，可作为焊料和轴承材料。锡合金轧成片材和箔材、可用来制作电容器、电器仪表零件以及装饰品和包装材料等。6.4 金属材料在设计中的应用 金属的材质美，来自于它的本质，也来自于人们对其的加工、装饰。无论是金灿灿的黄金、优雅高贵的白银还是明快的不锈钢、轻盈的铝合金，不同材质的特征属性，正是从不同色彩、肌理、质地和光泽中显示其审美个性与特征的。马里奥马里奥.博塔设计的金属椅博塔设计的金属椅他设计的金属椅,椅架采用钢管弯曲焊接而成,椅
50、面和椅背用钢板冲空弯折而成,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。罗恩罗恩.阿拉德设计的柔韧度良好的扶手椅阿拉德设计的柔韧度良好的扶手椅他设计的扶手椅有四部分组成,造型简单明快。马丁马丁布鲁尔设计的皱褶花瓶布鲁尔设计的皱褶花瓶由一整片不锈钢制作而成，经冲压、敲打、弯曲而成。富兰西斯科富兰西斯科菲利匹设计的菲利匹设计的“猫鱼猫鱼”剪子剪子将猫和鱼的形象组合成一把剪刀。它由：两片不锈钢绞合而成。不锈钢表面镀钛，坚固耐用。“鹿特丹鹿特丹”桌桌有九块板折叠而成，敞开的顶部可充当桌面，起搁物架的作用。折叠板采用白色镀锌铝板，折叠板的边缘钻有孔洞，有竖直铰链及不锈
