工业设计考研笔记 | 工业设计材料板块解析 · 金属篇（上）
发布时间 ：2024-05-13 21:01 南方绘2021届战绩
南方绘2022届战绩
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MC新材料图书馆（Material ConneXion，简称MC），全球最大的创新材料、可持续材料集成与应用的图书馆。
Material ConneXion (MC) is the world's largest library for the integration and application of innovative materials and sustainable materials.
工业设计的材料课，从初识的陌生到逐渐厘清的门类，再到熟捻于心的挥洒自如，其间辛酸苦乐工业学子自能体悟。
其中，使用频率较高的五大加工材料有金属、塑胶、木材、玻璃、皮布；此外还有陶瓷、石材，碳纤维等，但其在产品中运用较少，更偏个性化，之后会另开新篇介绍。
技术和文化发展使材料创新的入门门槛降低，材料种类也呈现多样化和小众化。
Technological and cultural development has lowered the threshold of material innovation, and the types of materials have become diversified and niche.
本篇分为上中下章，将一一为大家介绍金属材质的不同类别和对应性质，以及后续在工业设计中的具体运用。
金属材料，多指工业应用中的纯金属、合金及金属间化合物。它具有优异的工艺性能和使用性能，能将设计师的设计构思中产品的功能与造型完整实现，因此也是现代工业中广泛运用的的支柱材料。
绝大多数金属元素化学性质较活泼，以化合态存在于自然界中，只有极少数的金属以游离态存在
Most of the metal elements have more active chemical properties and exist in nature in a combined state. Only a few metals exist in a free state
绝大多数金属元素化学性质较活泼，以化合态存在于自然界中，只有极少数的金属以游离态存在，如金、银等。目前被人熟知的纯金属大约有70多种，其中常见的有铁、铜、铝、银、铅、锌等。而合金常指两种或两种以上的金属或金属与非金属结合而成，且具有金属特性的材料。常见的合金如铝合金、钛合金等。
金属材料的结构及性能决定了它的应用。金属材料的性能包括工艺性能和使用性能。工艺性能是指在加工制造过程中材料适应加工条件的性能，如铸造性、锻造性、切削加工性等；使用性能是指在使用条件和使用环境下所表现岀来的性能，包括力学性能（如强度、塑性、硬度）、物理性能（如熔点、延展性、导电性）和化学性能（如耐腐蚀性、抗氧化性等）。由于金属材料的性能多样，在自然界中也广泛存在，所以在生活中应用极为普遍，是现代工业中非常重要且应用广泛的材料之一。
金属材料优异的工艺性能和使用性能，使它能适应并完整体现设计师设计的产品功能与造型，是现代工业中广泛运用的的支柱材料。
Metal material excellent process performance and performance, so that it can adapt to and fully reflect the product function and shape designed by designers, is widely used in modern industry pillar materials.
但随着科学的进步，常见的金属材料已不能满足社会发展需求。人们不断开发各种合金材料以满足各种特殊环境需求，如耐磨耐高温、耐酸碱腐蚀和高强度、高硬度等。然而，这些特殊合金材料往往成本高昂，且难以同时满足设计师多样化性能要求。
1983年英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔首次提出表面工程的概念，利用极少量材料对金属基体表面进行改性处理，使金属表面得到保护和强化，解决单一材料无法解决的问题，从而提高产品的使用寿命和可靠性。
科技发展至今，设计师们面对金属材料时，已有更多加工改造的选择。
凭借较短的交付周期和从设计文件开发完整形状零件的能力，3D金属打印支持许多艺术家和设计师将他们的梦想变为现实。
With short lead times and the ability to develop fully shaped parts from design documents, 3D metal printing has enabled many artists and designers to turn their dreams into reality.
金属元素的分类法与评判标准多样，我国采用的是前苏联及欧洲“有色金属”与“黑色金属”的分类方法，但并无严格的科学根据进行命名和区分。而有色金属，则根据其性质、用途、分布及其储量等，进行重新分类：重金属、轻金属、贵金属和稀有金属。
01 · 不锈钢
Stainless steel
不锈钢型材 / Stainless steel profile
不锈钢是将铬、镍以及其他一些金属元素融入钢而制成的合金。其不生锈的特性来源于合金中的铬元素，它在合金的表面形成了一层坚牢的、具有自我修复能力氧化铬薄膜。
20世纪初引入到产品设计领域中的不锈钢，引发了许多革命性新产品的出现，可消毒重复使用的医用设备便在这时首次出现。现在已发展成了最常见的金属材料之一，在手机配件、结构支撑支架、表盘配件、外壳上都可用到。
材料特性 卫生、防腐蚀、可进行精细表面处理；刚性高、可通过各种加工工艺成型，较难进行冷加工。
典型用途 奥氏体不锈钢主要应用于家居用品、工业管道以及建筑结构；马氏体不锈钢主要用于制作刀具和涡轮刀片；铁素体不锈钢具有防腐蚀性，主要应用于耐久使用的洗衣机以及锅炉零部件；复合式不锈钢具有更强的防腐蚀性能，常应用于侵蚀性环境。
加工工艺 分为板材类与液体金属类。板材类成型工艺以冲压、拉伸、折弯为主，厚度从0.05到8.0mm都有，根据设计要求进行选择。液体金属常用工艺采用的是MIM粉末冶金的方式，最薄可做到0.3mm。
成型方式 分为热成型与冷轧，都是用板材为基础成型。表壳、表链常用这两种工艺制作，后期采用CNC加工细节处理，达到最终外形效果。
02 · 铝
Aluminium
铝合金型材 / Aluminium alloy section
同不锈钢一样，铝也是普及较广的金属材料，手机，家电，音响，手板等都有用到。相较于有近万年使用历史的贵金属而言，铝这种略带蓝光的白色金属，只能算作金属材料中的“婴儿”。由于铝的可塑性高、价格适中，因此备受设计师喜爱。
于18世纪初问世的铝，与其他金属元素不同，并不是以直接的金属元素的形式存在自然界中，而是从含50%氧化铝（亦称矾土）的铝土矿中提炼出来的。铝也是我们地球上出量最丰富的金属元素之一，并且可加入其他金属材料制成各种铝合金，应用广泛。
材料特性 柔韧可塑、易于制成合金、高强度、防腐蚀、易导电导热、可回收。
典型用途 交通工具骨架、飞行器零部件、厨房用具、包装以及家具。铝也经常被用以加固一些大型建筑结构，比如伦敦皮卡迪利广场上的爱神雕像，以及纽约克莱斯勒汽车大厦的顶部等，都曾用铝质加固材料。
加工工艺 分为板材类与铝型材类与铝合金压铸类。与不锈钢一样，成型工艺常以冲压、拉伸、折弯为主，板材厚度从0.05到8.0mm。铝合金型材则以挤压成型为主，通过加热铝棒经过模具挤压成型，铝型材最薄挤压厚度可以做到0.2mm，当然越薄工艺制作越难，产品强度也就越弱。
成型方式 压铸成型方式，通过模具成型，当然压铸模具是通过浇注成型，成品可塑性方式与塑胶有很多共同点。铝合金最薄壁厚可以做到0.5mm，越薄工艺制作越难，因此设计时尽量避开极限设计尺寸。
03 · 铸铁
Cast iron
铸铁件 / iron casting
铸铁因为其出色的流动性，易于浇注成各种复杂形态的特点，在工业设计领域有大量而广泛的用途。铸铁实际上是由多种元素组合的混合物的名称，它们包括碳、硅和铁。其中碳的含量越高，在浇注过程中其流动特性就越好。
铁锈一般只出现在最表层，所以通常都会被磨光。虽然如此，在浇注过程中也还是有专门防止生锈的措施，即在铸件表面加覆一层沥青涂层，沥青渗入铸铁表面的细孔中，从而起到防锈作用。生产砂模浇注材料的传统工艺如今被很多设计师运用到了其他更新更有趣的领域。
材料特性 优秀的流动性、低成本、良好的耐磨性、低凝固收缩率、很脆、高压缩强度、良好的机械加工性。
典型用途 铸铁已经具有几百年的应用历史，涉及建筑、桥梁、工程部件、家居、以及厨房用具等领域。
加工工艺 与生铁区别是铸铁是二次加工，大都加工成铸铁件。
成型方式 浇铸和压铸，浇铸是将材料在高温下熔化，成液体状态具有一定的流动性能，然后注入型腔内，一般的型腔有砂型，金属型等等，在设定的型腔内流动，之后冷却成型，一般用于浇铸的材料选用铸铁。
以上是金属材料的初步介绍、金属材料的类别区分和常见的三种金属材料，下期将会延续这一板块进行逐一介绍，那么我们下次再见。
参考资料
1.《材料丨工业设计中的金属材料》创新私塾小夫子｜创新私塾 2020-05-13 21:01
（https://mp.weixin.qq.com/s/7z2edAuwad6W0VRTtOlolw）
2.《材质解读 | 永不褪色的设计元素，当金属材料遇上匠人工艺》原创 YoungBirdGallery｜designverse设计宇宙 2016-09-13 19:08
https://mp.weixin.qq.com/s/EYzkpYjSKbD4eKG-YvMBfw
3.《CMF设计对产品结构设计的影响【上】金属材料部分》工业设计 2020-12-30 23:08（结构弹设计 ，作者一木友人）
https://mp.weixin.qq.com/s/NTC3LP9Hn9r64bKGOOZNbg
4.《金属材料基础知识汇总》热加工论坛｜ 2022-03-23 13:37
https://mp.weixin.qq.com/s/zWgHUudEY5mq786ekAUf0w
5.《工业设计 | 材料为设计带来无限可能》51design我要设计
https://m.taihuoniao.com/topic/view/186140
6.《结构材料-铝合金》作者：李彦鹏
https://zhuanlan.zhihu.com/p/56673463
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