作者：梁惠萍
出版社：电子工业出版社
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工业设计工程基础试读：
内容简介
本书是一本介绍工业设计工程基础的书籍。本书在材料及加工工艺基础上，融合机械设计的相关内容，力图从严谨的逻辑观点传达工业设计所需的工程学知识。
本书共3篇11章，第1篇（第1～7章）主要介绍工业设计产品所需的基础材料，第2篇（第8～10章）主要介绍机械设计的相关内容，第3篇（第11章）主要介绍产品创新设计的实例。
本书内容讲解清楚、易懂，可读性强，富层次和条理性，能让读者循序渐进地了解并掌握工业设计工程所需的基础知识，并最终运用所学知识能独立设计产品实例。本书适合工业设计工程基础的初学者及大专院校的学生使用。从新的视角审视工业设计，解读产品设计与规划，分别从产品开发战略与规划、产品品牌规划、产品规划与设计管理等多方面展开讲解，同时通过完整的企业案例加以分解阐述，将理论与实践进行了未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据工业设计工程基础/梁惠萍，梁璟编著.—北京：电子工业出版社，2014.5高等院校工业设计规划教材ISBN 978-7-121-22730-1Ⅰ.①工… Ⅱ.①梁… ②梁… Ⅲ.①工业设计－高等学校－教材 Ⅳ.①TB47中国版本图书馆CIP数据核字（2014）第057295号责任编辑：田 蕾特约编辑：赵海红印 刷：涿州市京南印刷厂装 订：涿州市京南印刷厂出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路173信箱 邮编：100036开 本：787×1092 1/16 印张：12.75 字数：326.4千字印 次：2014年5月第1次印刷定 价：49.80元
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参与本书编写的人员有黄成、焦玉琴、范波涛、李华、沈学会、刘春媛、王建华、田蕴、毛斌 张岩、黄晓燕、李达、梁惠萍。
丛书编委会成员
（排名不分先后）赵 博 戚 彬 王建华 刘春媛 隋凌燕贺松林 姜 勇 张 泉 李 达 徐淑芳艾 萍 王天健 李 艳 张蓓蓓 姜洪奎崔闽清 史淑慧 刘 进 范波涛 李 华沈学会 尚 凯 陈 旭 黄晓瑜 庾 萍田 蕴 毛 斌 王馥琴 叶德辉 孙宁娜张 凯 贾红晨 刘志刚 黄晓燕 许 强出版说明
Descriptions艺术学院与机械工程学院中相关专业均可选取本套教材。
主要专业
本套教材可服务的专业主要有：工业设计、产品设计、模具设计与制造、数控加工与制造4个专业。
教材特色
●创新性——突出科技与艺术的结合，体现现代工业设计领域的新技术、新材料、新工艺，引领未来工业设计领域的发展趋势。
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●实用性——突出以人为本的理念，强调培养个人能力为目标，注重针对学院培养实用性人才策略。
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工业设计教育的最终目标是培养高素质的设计师，以适应市场的需求和发展。美国著名的设计大师Raymond Loewy有一句名言：“当我能够把美学的感觉与我的工程技术基础结合起来的时候，一个不平凡的时刻必将到来。”而在工业设计教育过程中只有把学生的艺术造型素质教育与工程技术素质教育有机地结合起来，才能培养出真正适应市场发展需求的高素质工业设计人才。
工业设计的实践性决定了它的设计的可行性离不开分析、研究并解决材料、结构、制造、加工以及表面处理等问题。“工业设计工程基础”是工业设计专业的一门重要的专业基础课，本书在材料及加工工艺基础上，融合机械设计的相关内容，力图从严谨的逻辑观点传达工业设计所需的工程学知识。本书结合专业特点对相关复杂内容做了简化处理，并从实例说明知识点的运用，让读者通过学习能够掌握必要的工程技术基础知识，从而在设计中建立工程设计的思想和实践方法。
本书首先从产品必备物质——基础的材料进行介绍，包括工业设计常用的金属、塑料、陶瓷、玻璃、木材，以及复合材料和新型材料几大类，每种材料阐述内容包括基本定义、物理和化学特性、分类、用途、加工工艺、表面处理技术等方面。突出材料特性和成型工艺两方面的重点内容，引用了大量实用技术参数和相关标准以提供读者设计选材的参考知识。
其次，本书的第二部分为机械设计相关内容，主要涉及常用运动转换机构、结构设计准则和其中的散热结构设计。针对专业初学者较少接触机械类相关知识的特点，本书从基础的概念出发，配合大量实例图片，介绍了日常生活和生产中常见机构的种类、构成要素、特性和使用范围；结合各种加工和成型工艺，针对不同材料分析在生产中需要注意的结构设计相关要点；用单独章节叙述了电子设备的散热器类型、散热方式、散热结构等知识，让读者通过学习，对机电类产品的结构设计具有初步概念和设计思想。
本书最后一部分内容是产品创新设计，从创新设计的概念、原则和创新方法方面进行概述，提供儿童床设计和取纸器设计两个案例进行分析，阐述了创新设计的具体流程，使读者能更深刻体会创新对于产品设计的重要意义。
本书由桂林电子科技大学艺术与设计学院梁惠萍老师和梁璟老师编写。其中梁惠萍负责编写第2、8、9、10、11章，梁璟老师负责编写第1、3、4、5、6、7章，在此一并表示感谢。
限于编者水平，对工业设计的认识有待深入，以及编写时间原因，本书在内容和编排上还有不少缺点和不足，恳请本书的读者，特别是工业设计专业的学者和使用本书的学生对内容多提宝贵意见及建议，以便进一步完善此书，使之更具有实用价值。第1篇 工业设计材料与工艺第1章 工业设计材料概述与工艺概述本章重点
♦ 材料与工艺对工业设计的重要性。学习目的
♦ 了解工业设计与材料、结构、工艺的逻辑关系。1.1 设计——科技与艺术的融合
工业设计的基础是科学技术，离开科学技术就谈不上工业设计。科学技术每一次跃进、每一项成果，都为工业设计丰富了内容，提供了新手段，开拓了新领域。而工业设计是科学技术转换为现实生产力的桥梁，是科学技术生产力中的主力。
设计力就是生产力，更是竞争力。日本在第二次世界大战后经过几十年的努力，一跃成为世界经济大国，其重要的战略就是“设计开路，科技立国”。可以说设计已成为科技和经济发展的一个标志，成为涉及国家兴衰的大事。
科学技术要转换为商品，首先要靠设计，据资料分析，在产品开发中，纯粹的设计工作量占整个产品开发的10%～20%，其决定着产品开发的80%～90%的成败命运。从产品开发的程序看，设计是产品开发的第一步，也是关键的一步。早在1965年周恩来总理在听取“产品设计革命化会议”汇报时就曾指出：设计是“生产技术中的第一道工序”。正是这个第一道工序在生产技术中具有第一重要的作用，如果在设计中采用先进技术，推广科技成果，就能大大提高生产技术水平，反之则生产水平低下。日本就是善于综合各种先进技术，重视将它应用于产品设计中，从而大大提高了产品设计的水平。工业设计就是以高新技术为基础，通过精心设计，推动科技转变为生产力，而不断提高商品竞争力的。先从消费需求出发进行设计，再通过技术去实现商品化，从而推动和激励科技的进步。由此可见，工业设计已成为科技进步的龙头。日本GK公司总裁荣久庵宪司说：“好的工业设计就是把人的梦想通过批量生产的方式变为现实。”工业设计通过“梦的实现”，推动科学技术发展，从这个意义上来说，工业设计正设计着人的更加完善的生活方式，引导着消费新潮流。
工业设计是以科学与艺术相结合为理论基础的。设计构思不仅要从一定的技术和经济要求出发，而且要充分调动设计师的审美经验和艺术灵感，从产品与人的感受和活动的协调中确定产品功能结构与形式的统一。也就是说产品设计必须把满足物质功能需要的实用性与满足精神功能需要的审美性完美地结合起来，并考虑其社会效益，从而构成本学科与艺术相结合的双重性特征。从整个社会系统结构来说，科学以技术为中介作用于社会生产，而艺术则以情感作用于人们的观念，从而间接地影响着社会生产，两者是相通的。好比一棵文化树上结出的两颗硕果，荣枯相依，兴衰与共。从历史发展的事实来看，在同一历史时期，科学技术发达的地方，艺术上往往人才辈出，成果令人瞩目。在同一民族的历史上，艺术成就辉煌的时代，也是科学技术发展的黄金时代，这种宏观系统上的相关性必然包含着相应的微观机制。事实上，在人们日常生活中处处都体现着科学与艺术相结合的范例，正是这种结合，才使得人们的生活环境不断得以美化，人们的审美意识不断得到提高，促进了人类文明的发展，并使传统方式得以革新。1.2 工业设计与材料工艺
材料是人类社会的物质基础，一切机器、建筑、交通工具、生活用品等无不是由材料制成的。工业设计就是要根据对产品的功能和外观的需求，选择合适的材料，设计它们的结构与形式，确定它们的组合方式等。因此，在工业设计活动中必须考虑材料的性质与特点。工业设计与材料和工艺的关系主要有以下3个方面。1.2.1 材料是工业设计的物质基础
由于产品都是由各种材料组合而成的，任何一个产品的工业设计必须建立在可选用材料的基础之上，因此设计师在提出设计的美学概念时，必须同时考虑如何去实现这样的概念，现有材料是否能够通过一定的制作工艺达到设计的要求。比如，设计一个手机外壳，设计师想设计成由红、黄、蓝3种色块拼成的图案，这时不仅要考虑外壳的颜色问题，还要考虑外壳在使用中的磨损与锈蚀、外壳需要的强度、外壳的轻量化以及制造工艺上是否可行等一系列问题。如果选择在表面涂上颜色，很简单，但可能满足不了长期使用的耐磨损要求。如果选择彩色塑料，其强度与抗老化性能可能不佳。如果选择金属，如何获得3种彩色的拼图将是个难题。因此，工业设计的美学概念必须以可适用的材料为前提，材料是工业设计的物质基础。1.2.2 材料工艺与工业设计相互促进
材料的发展，特别是新材料的出现常常会给工业设计思想带来突破性的进展。例如，埃菲尔铁塔的设计就是一个典型的例子。当时人们已对钢铁的高强度等性质有较清楚的认识，钢铁工业也已步入大规模的工业化生产时期，已能够提供充足的、价格合理的各种钢铁型材。设计师充分利用钢铁材料具有极高的强度这一性质，提出在当时来讲全新的一个设计理念，最终建造出迄今为止仍是巴黎的地标性建筑的铁塔。
另外，新的重要设计思想的提出，对材料的发展提出了新要求，也对材料研究人员探索和发现新材料提出了新的挑战。例如，用黄金装饰产品表面是设计师和消费者长期的一种喜好，它不仅满足了人们审美的要求，而且由于黄金的化学稳定性极好，使产品不易锈蚀，可以保存较长时间。但是由于黄金价格十分昂贵，故难以大量使用。在此推动下，材料研究人员大量地开展了仿金装饰镀的研究，发展了一系列的工艺，解决了这个问题。例如，采用化学气相沉积技术（简称CVD），在产品的表面沉积一层合金，该沉积层的颜色与黄金相仿，且硬度高、耐磨损、耐腐蚀，该技术曾大量应用于手表外壳、眼镜框等产品的表面修饰。可以说材料与工业设计这两个领域的发展具有相互促进的关系。1.2.3 材料工程是工业设计的基础理论之一
材料科学与工程是认识材料的制造与加工工艺、材料的组织结构、材料的性能和使用、材料的环境性能及其之间相互关系的一门学科。
用材料科学与工程理论可以指导新材料的研制、制造与加工以及材料的使用。当设计师进行一个工业产品的设计时，不仅要有美学上的考虑，还要考虑设计的合理性和可行性。这里的合理性和可行性指设计选用的材料除了满足美学的要求之外，是否能够满足特定的使用性能、加工工艺、价格、环境友好度等方面的要求。例如，移动电话的外壳就需要考虑一定的韧性，以免不小心掉到地上会摔裂；电视机外壳要考虑抗电磁干扰的电磁屏蔽性能，以免外界电磁场对其图像造成影响；洗衣机要考虑抗锈蚀的性能，以保证其外壳在潮湿的使用环境下不会生锈。对工业设计而言，需要考虑的性能是多种多样的，如强度、硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性、光泽、耐热性、抗电磁辐射等，还需要考虑长期使用过程中上述性能的稳定性。
另外，设计师的设计能否实现还要看是否能通过一定的成型、加工技术完成对材料的加工。因此，设计师还必须对不同材料的成型技术与加工性能有一定的认识。材料的成型技术有很多种，对金属材料而言，有铸造（液态成型，包括砂型铸造、压铸等）、压力加工（塑性成型，包括锻压、轧制、挤压等）、连接（固态成型，包括焊接、铆接、黏接等），并可进行后续的机械加工、热处理、表面涂覆等；对陶瓷材料而言，有注浆成型、可塑法成型、模压成型、等静压成型等，并经烧结过程获得最终成品，陶瓷制备还可进行适当的研磨、抛光等加工；对玻璃而言，成型方法有吹制法、压制法、压延法、浇注法、拉制法、离心法、烧结法、喷吹法、浮法、焊接法等；对高分子塑料而言，可采用注射、挤出、压制、压延、注塑、缠绕、烧结和吹塑等方法成型，也可采用喷涂、浸渍、黏结等方法将塑料覆盖在金属或非金属基体上，还可像金属那样采用车、铣、刨、磨、刮、挫、钻以及抛光等方法进行机械加工。需要指出的是，材料的性能取决于材料内部的微观组织结构，而材料内部的微观组织结构又取决于材料的化学组成和材料的制备与成型加工工艺。关于这三者的规律及其相互关系是材料科学与工程理论的核心内容。显然，它也是进行工业设计时必须掌握的基础理论知识。1.3 工业设计与材料选择
设计是一种复杂的行为，它涉及设计者感性与理性的判断。与设计的其他方面相比，材料的选择是最基本的，它提供了设计的起点。材料选择得适当与否，对产品内在和外观质量影响很大。如果材料选择不当或考虑不周，不仅影响产品的使用功能，还会有损于产品的整体美感。因此，设计师在选择材料时，除了必须考虑材料的固有特性以外，还要着眼于材料与人、环境的有机联系。由于设计材料的种类多、量大面广，在设计中如何正确、合理地选用材料就成了一个实际而又重要的问题。
设计材料的选择应遵循以下原则。（1）材料的外观：考虑材料的感觉特性。根据产品的造型特点、民族风格、时代特征及区域特征，选择不同质感、不同风格的材料。（2）材料的固有特性：材料的固有特性应满足产品功能、使用环境、作业条件和环境保护的需要。（3）材料的工艺性：材料应具有良好的工艺性能，符合造型设计中成型工艺、加工工艺和表面处理的要求，应与加工设备及生产技术相适应。（4）材料的生产成本及环境因素：在满足设计要求的基础上，尽量降低成本，优先选用资源丰富、价格低廉、有利于生态环境保护的材料。（5）材料的创新：新材料的出现为产品设计提供了更广阔的前提，满足了产品设计的要求。
影响材料选择的基本因素中除材料本身的固有特性外，还包括以下几个方面。（6）功能的选择：任何产品，在设计之前，都必须首先考虑其应具有的功能和所期望的使用寿命。这样的考虑必定会在选用何种材料更合适方面做出总的指导。（7）基本结构要求：如何综合平衡设计中对产品的功能、人机工程学和美学方面的要求，以及针对批量生产特点的机械结构、加工工艺难点和由此产生的成本问题等，已成为材料选择中的主要问题。其中材料的耐久性应是材料选择中最先考虑的。在大多数情况下，这样的考虑比仅考虑美学品质或节约成本而选用可能导致产品在使用过程中过早废弃的劣质材料，显然要有意义得多。（8）外观：产品的外观在一定程度上受其可见表面的影响，并受材料所能允许的制造结构形式的影响，因此，外观也是材料选择应考虑的一个重要因素。就产品的表面效果来看，材料表面的自然光泽、反射率与纹理，影响着产品所能采用的表面装饰材料和方式，以及装饰的外观效果和在使用期限内的恶化程度与速度。至于造型所采取的制造工艺与手段，如浇注、模铸、冲压、弯折或切削等也在很大程度上依赖于所采用的材料。（9）安全性：安全是最基本的因素。材料的选择应按照有关的标准选用，并充分考虑各种可预见的危险。例如，医院的某些电疗设备中与病人接触的部位，其表面应选择绝缘且抗静电的材料；在设备较暴露的位置若配置普通的平板玻璃，就易于碰撞碎裂而造成人身伤亡；在设备内部若选用易于泛潮的塑料轴承，就会因隐匿着腐蚀的危险性造成设备质量恶化而导致关键控制件失灵。（10）控制件：控制件对材料的选择也有其特殊的需求。例如，操纵键盘的材料应具有恰当的接触摩擦性和冲击回弹性，以保证可靠操作和手感舒适；用作控制面板的材料应具有反射率较低并易于在其表面形成图样符号或易于贴附图样符号的特性，以减少眩光和便于指示控制动作。（11）抗腐蚀性：抗腐蚀性是材料选择的另一个重要准则，因为它影响着产品的操作、外观、寿命和维护。在直接涉及人身安全的场合，则必须通过材料的选择来防止危险的腐蚀。例如，为了保证维修、测试、操作过程的安全，对设备中必须具备的升降机或其他必须保证生命安全的设备，其材料的选择就应该以保证安全为前提。（12）市场：产品设计者必须对未来可能使用自己所设计产品的消费者进行调研。如果可能，应尽量使自己的产品达到或超出消费者所期望的程度。对于材料，要考虑到消费者的态度往往受他所接触的各类产品的影响。有时消费者所期望的材料也许恰恰是设计者并不准备采用的。在有些情况下，消费者选用何种材料的产品还受到习惯的影响，一些新材料产品在一定时间内未必会被消费者所接受。当然，这并不等于说产品选用的材料就必须永远停留在传统的选择水平上。随着科学技术水平的发展，新材料、新技术的出现势在必行，问题在于当选择新材料替代传统材料时，如何在造型设计上和广告宣传上设法让消费者能够更快地适应和接受新产品是问题的关键。习题
1.简述工业设计与材料的关系。
2.如何在工业设计过程中选择材料？第2章 金属材料及其加工艺本章重点
♦ 掌握设计中常用金属材料（铸铁、钢、铝及其合金、铜及其合金、镁及其合金等）的基本性质及其在设计中的应用；对金属材料的成型工艺有一定的了解。学习目的
♦ 使学生对设计中金属材料及其加工工艺有一定的了解，并对设计中常用金属材料有较好的掌握。2.1 金属材料概述
金属材料具有其他材料体系所不能完全取代的独特的性质和使用性能，例如，金属有比高分子材料高得多的模量，有比陶瓷高得多的韧性，以及具有磁性和导电性等优异的物理性能。金属材料又分为黑色金属材料（钢铁材料）和有色金属材料。钢铁材料不仅具有优良的力学性能和工艺性能，而且价格低廉，常用于制造各种机械零件和工具。有色金属材料（如铝合金、铜合金等）除具有较好的力学性能和工艺性能外，还具有良好的物理、化学性能（如电导性、耐蚀性等），常用于制造某些特殊性能的零件。金属材料（尤其是钢）还可通过热处理或其他工艺方法，进一步提高其力学性能和改善工艺性能。因此，金属材料（尤其是钢）在产品设计中的应用最为广泛。金属材料产品如图2-1所示。图2-1 金属材料产品2.2 金属材料的性能
金属材料是机械制造中应用最广泛的工程材料，其性能包含工艺性能和使用性能两个方面。工艺性能是指材料为保证零件的加工质量，并能顺利加工所应具备的性能，如铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等；使用性能是指材料为保证零件正常工作，并获得一定工作寿命所应具备的性能，包括物理性能、化学性能和力学性能。由于机械零件或工具在工作时通常都承受一定的载荷，故用作机械零件和工具的材料主要应具有良好的力学性能。力学性能是指材料在载荷作用下所显现的性能，如强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳抗力等。2.2.1 金属材料的物理和化学性能
金属材料的物理性能是指在重力、电路场、热力（温度）等物理因素作用下，材料所表现出来的性能或固有属性。金属材料的物理性能主要包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等，如表2-1所示。金属的化学性能是指金属在化学作用下表现出的性能，包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。表2-1 常用金属的物理性能2.2.2 金属材料的力学性能
金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式的外力的作用，当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形，以致断裂。材料在外力作用下所表现出的一些性能（如强度、刚度、韧性等）称为材料的力学性能。
强度是材料抵抗变形和断裂的能力。它是通过拉伸试验来测定的。拉力试验能测出材料在静载荷（指缓慢增加的载荷）作用下的一系列基本性能指标，如弹性极限、屈服强度、抗拉强度和塑性等。
刚度是材料在受力时抵抗弹性变形的能力。它表示材料弹性变形的难易程度。材料刚度的大小通常用弹性模量E来评价。
塑性是金属材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常是伸长率和断面收缩率。
硬度是材料抵抗局部变形，特别是塑件变形、压痕或划痕的能力。硬度是材料性能的一个综合物理量，表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形和断裂的能力。
韧度是指材料抵抗塑性变形而不破裂的能力。
弹性变形是指材料在产生变形后，取消应力，然后恢复到原来形状的能力。
塑性变形是指材料在较低压力条件下容易发生永久性变形的能力。2.2.3 金属材料的工艺性能
金属的工艺性能是指金属材料加工时表现的性能，包括铸造性、锻压性、焊接性及切削加工性等。工艺性能直接影响到零件制造的加工质量，选材时必须考虑金属的工艺性能。
1.铸造性
铸造性是指金属熔化成液态后在铸造成型时所具有的一种特性，衡量金属材料铸造性的物理量有：流动性、收缩率和偏析倾向。在金属材料中，灰口铸铁和青铜的铸造性能较好。
2.锻压性
锻压性是指金属材料在锻造和冲压过程中承受塑性变形的性能。锻压性直接与材料的塑性及塑性变形抗力有关，也与材料的成分和加工条件有很大关系。例如，铜、铝的合金在常温下就具有很好的锻压性；碳素结构钢在加热条件下，锻压性能良好；而青铜、铸铝、铸铁几乎不能锻造。
3.焊接性
焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成满足设计要求的构件，及满足预定寿命要求的能力。焊接性好的金属能获得没有裂纹、气孔等缺陷的焊缝，并且焊接接头具有一定的力学性能。一般导热性好、收缩小的金属材料焊接性能都比较好。例如，低碳钢具有良好的焊接性，而高碳钢、不锈钢、铸铁的焊接性较差。
4.切削加工性
金属材料的切削加工性是指金属切削加工的难易程度。切削加工性能好的金属对使用的刀具磨损值小，切削用量大，加工表面也较光洁。切削加工性的好坏与金属材料的硬度、导热性、金属内部结构及加工硬化等因素有关，尤其同硬度关系最大。例如，钢铁、钢合金及一般碳素钢具有较好的切削加工性，而高合金钢的切削加工性不好。2.3 设计中常用的金属材料
金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。其中黑色金属又称钢铁材料，包含90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢。有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料，如图2-2所示。图2-2 金属材料2.3.1 碳钢
1.碳钢概述
碳钢是含碳量大于0.02%小于2.06%，并含有少量硅、锰、磷、硫等杂质的铁碳合金。由于碳钢的性能可以满足一般零件和工具的使用要求，且价格低廉，故在工业中应用广泛。
2.碳钢的分类
碳钢的主要分类方法如下：（1）按钢的质量分类。根据钢中有害杂质（P、S）的含量，碳钢可分为：
①普通质量钢：钢中P、S含量较高（W＜0.045%，W＜Ps0.050%）。
②优质钢：钢中P、S含量较低（W＜0.035%，W＜0.035%）。Ps
③高级优质钢：钢中P、S含量很低（W＜0.030%，W＜Ps0.020%）。（2）按钢的化学成分分类。按钢中含碳量高低，碳钢可分为：
①低碳钢：W＜0.25%的钢。c
②中碳钢：W为0.25%～0.6%的钢。c
③高碳钢：W＞0.6%的钢。c（3）按钢的用途分类。按钢的用途可分为碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢和特殊性能钢4大类。
①碳素结构钢：W少于0.38%，含硫、磷等杂质较高，强度不高、c力学性能较低、焊接性能好，只适用于制造不太重要的零件或构件，但因价格便宜，应用甚广，如图2-3所示。图2-3 碳素结构钢
②优质碳素结构钢：这类钢W≤0.035%，W≤0.035%，均比碳素sp结构钢低，属优质钢。依据GB/T699—1999，优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，即钢中平均含碳量的万分位数。例如，20号钢表示平均含碳量为0.20%的优质碳素钢。对于沸腾钢则在尾部加上F，如10F、15F等。08、10、15、20、25等牌号属于低碳钢，其塑性好，易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接。其中，以45钢最为典型，它不仅强度、硬度较高，且兼有较好的塑性和韧性，即综合性能优良。45钢在机械结构中用途最广，常用来制造轴、丝杠、齿轮、连杆、套筒、键、重要螺钉和螺母等，如图2-4所示。图2-4 优质碳素结构钢
③碳素工具钢主要用于制造各种工具，其W一般在0.7%以上。c根据工具用途的不同可分为刃具钢、模具钢和量具钢。另外，通常又把一些含有大量特殊合金元素且有高速切削能力的钢分立出来，称为高速钢。
④特殊性能钢具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。其种类很多，机械制造中主要使用不锈耐酸钢、耐热钢、耐磨钢。
此外，根据钢的脱氧方法不同，碳钢还可分为沸腾钢（符号为F）、半镇静钢（符号为BZ）和镇静钢（符号为Z），其中镇静钢的质量较好，沸腾钢的质量相对较差，半镇静钢介于两者之间，如图2-5所示。图2-5 碳素工具钢2.3.2 铸铁
铸铁是碳的质量分数W＞2.11%的铁碳合金。工业用铸铁是以铁、c碳、硅、锰为主要组成元素并含有磷、硫等杂质的多元合金。
铸铁与钢相比，具有优良的铸造性、耐磨性、消震性及低的缺口敏感性和良好的切削加工性。同时其生产工艺简单，成本低，因此它是机械制造、冶金矿山中广泛应用的金属材料。
碳在铸铁中存在的形式有两种，即游离的石墨和化合态的FeC。按碳在铸铁中存在的形式和石墨的形态，铸铁主要分为以下43类 。
1.白口铸铁
铸铁中的碳除少量溶入铁素体外，其余全部以渗碳体的形式存在，断口呈白亮色，故称白口铸铁。白口铸铁性能硬而脆，除了作为生产可锻铸铁和炼钢原料外，一般极少用来制造机械零件。
2.灰口铸铁
铸铁中的碳全部或大部分以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色，故称为灰口铸铁。这类铸铁的强度和韧性较低，但生产工艺简单，成本低，并可通过孕育处理提高其力学性能，因此应用十分广泛，如图2-6所示。图2-6 灰口铸铁
3.可锻铸铁
铸铁中的碳全部或部分呈团絮状石墨存在，这种铸铁是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火而获得的。强度与灰口铸铁相近，但韧性和塑性较灰口铸铁高，故称可锻铸铁，如图2-7所示。图2-7 可锻铸铁
4.球墨铸铁
铸铁中碳全部或大部分呈球状石墨存在，这种铸铁是由灰铸铁成分的铁水经球化处理和孕育处理而得到的。其强度、塑性和韧性均优于灰铸铁，如图2-8所示。图2-8 球墨铸铁2.3.3 合金钢
为了提高钢的机械性能，改善钢的工艺性能和得到某些特殊的物理化学性能，除了基本元素铁碳以外，在冶炼过程中加入其他的合金元素所形成的钢称为合金钢。
合金钢种类繁多，为了便于管理、研究和选用，必须对合金钢进行分类和编号。（1）按化学成分来分类，可以分为以下3种。
●低合金钢——合金元素总含量在3%以下；
●中合金钢——合金元素总含量在3%～5%之间；
●高合金钢——合金元素总含量在5.5%以上。
合金钢还常以所含的合金元素来命名，如含锰的叫锰钢，含硅锰的叫硅锰钢等。（2）按用途分类。按钢材的用途可分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢三大类。
合金结构钢用作工程结构和各种机器零件。其中机器结构钢包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢，如图2-9所示。图2-9 合金结构钢
合金工具钢用于制造各种工具，按工具用途不同，可分为刃具钢、模具钢与量具钢，如图2-10所示。图2-10 合金工具钢
特殊性能钢是具有特殊物理、化学性能的钢，可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等，如图2-11所示。图2-11 特殊性能钢2.3.4 有色金属
除了黑色金属以外，其他金属如铝、铜、镁、铁、锡等及其合金统称为有色金属。有色金属又可大致分为轻有色金属（相对密度小于3.5，如铝、镁）、重有色金属（相对密度大于3.5，如铜、锡）、贵金属（如金、银）和稀有金属（如钨、钼）。有色金属不仅是制造各种优质合金钢及耐热钢所必需的合金元素，还具有钢铁所不具备的独特性能，如质轻、强度高、耐腐蚀、导电性好等，而成为现代工业不可缺少的材料。
1.铝及其铝合金
纯铝呈银白色，有金属光泽，常温下铝的相对密度为2.72，约为铁的1/3，常压下熔点为660℃，导热、导电性能良好，仅次于银、铜。铝的化学活性较高，铝的表面被空气氧化容易生成致密的氧化膜，隔绝了空气，提高了耐蚀性，但铝不耐酸、碱、盐的腐蚀。铝中的杂质对其耐蚀性有一定影响，主要杂质有铁、硅等，如图2-12所示为纯铝制品。
纯铝具有良好的导电性和导热性，其导电性仅次于银、铜、金，因此可用来制造电线、电缆等各种导电材料和各种散热器等导热元件。
实际产品设计中为了提高纯铝的强度、耐蚀性和工艺性能，将铝与合金元素（硅、铜、镁、锌、锰等）进行合金化，得到铝合金。图2-12 纯铝制品
常用铝合金材料性能及应用如下。
铝与硅、铜、锰、镁等合金元素组成的铝合金具有强度高、密度小的特点，而且可通过热处理进一步提高强度，是轻质结构件的重要材料。
铝合金按其工艺性能分为适合于压力加工的变形铝合金和适合于铸造的铸造铝合金两大类。变形铝合金塑性好，可通过压力加工方法生产出板、带、线、管、棒、型材或锻件。变形铝合金又分为能热处理强化的硬铝合金（如AIMn、AIMnAISi系合金）和不能热处理强化的防锈铝合金（如AI-Mg-St、AI-Cu、AI-Zn-Mg系合金）。铸造铝合金元素含量高，铸造性能好，但塑性差，只能铸造成型。铸造铝合金亦可通过热处理来改善力学性能。铝合金产品如图2-13所示。图2-13 铝合金产品
2.铜及铜合金
铜元素在地壳中的储量很小，但铜及其合金是人类历史上使用最早的金属材料之一。由于铜的优良性能及美丽的色泽而被广泛应用。工业应用的铜及合金主要有：工业纯铜、黄铜和青铜，白铜应用较少。（1）纯铜。纯铜因其表面氧化形成一层氧化亚铜氧化膜后呈紫色，故又称紫铜。纯铜导电性好、导热性好。纯铜具有面心立方晶格，熔3点为1038℃，相对密度为8.94g/cm，强度低，塑性好，便于进行冷、热锻压加工，用来制作油管、铆钉、垫圈和各种型材。铜的化学稳定性较好，因而抗蚀性较好，其又有良好的导电、导热和无磁性，广泛用来制作导线、散热器、冷凝器、抗磁性的仪器仪表等。图2-14所示为纯铜内存条。图2-14 纯铜内存条（2）铜合金。由于纯铜的强度低，为提高其性能，往往加入适量合金元素制成铜合金。铜合金中常加入的合金元素有Zn、Sn、A1、Ni、Si、Be、T1、Fe、Zr、Cr、Mg、S、Pb、Se、Cd、Mn、B、P等。铜合金按化学成分RJ分为黄铜、青铜和白铜（铜镍合金）。黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金，图2-15所示为黄铜管套。按化学成分不同，分为普通黄铜、特殊黄铜两种，主要用于电源插座头、精密医疗器械、灯具装饰材料、铭牌的制作等。青铜是除黄铜和白铜以外的铜合金。青铜主要有锡青铜（普通青铜）和铝青铜、铁青铜、硅青铜等特殊青铜两类，常用于制作零件，图2-16所示为青铜人面鼎。图2-15 黄铜管套图2-16 青铜人面鼎
3.镁及镁合金3
镁常压下熔点为651℃，相对密度为1.748g/cm；约为铝的2/3，是日常应用中最轻的结构金属，比热和膨胀系数较大。其优点是比重很小，强度高于铝合金；切削加工性良好；耐蚀性好（特别是矿物油
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