材料选用知识及食品接触材料

1、材料选用知识及食品接触材料前言2 我们在设计过程中经常遇到一些关于材料的问题。 例如:1，材料刚度特性到底是什么？刚度和强度有何联系？2，不锈钢到底是硬还是软，不锈钢是不是都没磁性？3，不锈钢、铝合金可不可以热处理?4，常见的塑料有哪些，各自有什么性能？5，什么材料可以接触食品？ 这个PPT的目的。是用浅显的讲解，给大家认识材料选用的一些知识。目 录3如何选用材料12345材料特性钢塑料简介6食品接触材料知识有色合金如何选用材料4设计选用材料的几种方法1，根据经验去选用材料； 2，根据相似去选用材料；3，根据灵感去选用材料；4，根据材料特性去选用材料；5，以上两种或多种方式的结合。如何选用材料

2、5 设计一个转轴： 首先根据经验选择45钢； 校核强度，发现强度不足； 不改轴尺寸，材料选用40Cr钢。选用材料的例子 netserver/UTDocument/%E7%BB%93%E6%9E%84%E5%85%B1%E4%BA%AB%E5%B9%B3%E5%8F%B0/11%20%E7%BB%93%E6%9E%84%E8%A7%84%E8%8C%83%E6%96%87%E4%BB%B6%E5%BA%93/01%20%E7%BB%93%E6%9E%84%E7%AE%A1%E7%90%86/02%20%E7%BB%93%E6%9E%84%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E8%A7%84%E8

3、%8C%83/Q%EF%BC%8FUT.J01.434-2012+%E7%BB%93%E6%9E%84%E4%BB%B6%E6%9D%90%E6%96%99%E9%80%89%E7%94%A8%E8%A7%84%E8%8C%83.pdf.cdg根据经验去选用材料根据相似去选用材料根据材料特性去选用材料如何选用材料6材料特性应用场合产品性能加工工艺产品成本产品外观材料特性对设计的影响材料特性7材料特性 材料的特性包括力学性能、热力学性能、化学性能、电学性能、磁学性能、光学性能常涉及的材料特性知识力学性能合金化改善力学性能的工艺密度导电性能导热性能磁性能使用环境影响材料特性8力学性能 从文字定义，

4、只获得一些感性的认识。下面从“应力-应变图”为大家剖析，希望能使大家获得更深一些的认识。强度刚度弹性塑性韧性硬度脆性材料特性9应变应力高碳钢中碳钢低碳钢此段斜率为杨氏模量应力-应变图强度： 材料在某个点的应力值。例如屈服强度、抗拉强度、疲劳强度、定伸强度。强度一般表示材料抵抗破坏的能力。刚度：材料抵抗变形的能力，和弹性模量（杨氏模量E、剪切模量G）有关。大部分材料（不包括橡胶），合金化、热处理等方法对刚度的加强影响不大。弹性：材料在外力消失时，恢复原先尺寸的性能。塑性：材料产生塑性变形而不断裂的性能。韧性：材料破坏前吸收的能量。硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。和强度、刚度等有关。对于钢

5、，硬度可对应强度。对于橡胶，其邵氏硬度可反映刚度。单位：Pa/KPa/MPa/Gpa单位：%/脆性：1，塑性和韧性低。 2，在屈服强度以下，突然发生断裂。（材质缺陷、使用环境、应力集中、内应力影响）材料特性10加深认识材料力学性能的问题1：Q345钢板屈服强度约是Q235的1.5倍，而价格只稍贵一些。用是否更有经济效益？ 结构设计时除了考虑强度，还要考虑刚度，Q235和Q345的刚度基本一样。另外从工艺角度考虑，屈服强度低意味着更容易加工。目前国内Q235比Q345用量大很多。2：高碳钢和低碳钢弹性模量差不多一样，为什么说高碳钢弹性好？ 高碳钢屈服强度高。意味高碳钢可弹性变形的长度长。3：为什

6、么不同种类材料的硬度和强度不可以对应，但是钢的硬度和强度可以对应。 硬度是材料的刚度、强度等的综合体现，所以硬度一样，强度可能不一样。而钢的刚度都差不多，所以可以用硬度对应强度。材料特性11合金化： 在金属中加入其它元素物质，以改善金属的性能。 同类合金特点合金化的一般原理： 合金成份不同微观结构（金相）不同性能不同性能和原来的金属特性差别密度相近 刚度相近强度可改变很多塑性可改变很多硬度可改变很多 韧性可改变很多 熔点降低材料特性12合金和化合物的一般区别： 合金 化合物 混合物 纯净物 比例可变 比例不可变 铁碳合金 Fe3C 合金和复合材料的一般区别 合金 复合材料 原子级别的均一性 小

7、颗粒以上级别的均一性 金属 金属或非金属 铝合金 SiC增强铝合金 尼龙+玻纤、ABS+PC 材料特性13改善力学性能方法 热处理：通过加热、（保温）、冷却，从而改善材料力学性能。一般有退火、正火、淬火、回火。 热锻、热轧、热拉拔、热挤压：通过加热和机械方法，使材料成型，效果类似正火。 时效处理：包括自热时效和振动时效、人工时效处理。 自然时效：是把工件放置在露天一段时间（半年以上） 振动时效：通过振动工件处理 人工时效：也是一种热处理 冷作硬化：常温或结晶温度以下，通过机械方法，增加强度、以上工艺原理：通过工艺手段（一般不改变成份）改变或改善微观结构力学性能不同材料特性14材料特性15密度

8、微观上：密度=摩尔质量摩尔体积。对于不同的固体，摩尔体积是不一样的。 宏观上：成型工艺影响、成型缺陷影响、密实度（颗粒状料） 1，分子量或原子量大，密度是否较大？ 2，为什么铸造件、压铸件和注塑件有时的重量会差别较大？ 3，用NaCl的密度计算食盐体积，差别很大？ 4，用铝合金取代钢材，可以减轻重量？能减少尺寸？ 强度/密度、刚度/密度强度、刚度材料特性16导电性能材料的导电性能电阻率。 电阻率小导电材料：金属、石墨、导电橡胶等 电阻率大绝缘材料：一般的橡胶、玻璃、陶瓷、塑料等 在中间半导体材料：工程材料上很少使用，一般用于电子元件 选择导电材料除了考虑电阻率，有些情况下还考虑“电阻率/密度”

9、。 材料特性17导热性能 材料的导热性能导热系数 有时换需考虑比热容 导热系数相对较高导热材料：金属、玻璃、导热硅脂、导热橡胶、陶瓷 导热系数相对较低隔热材料：不锈钢、橡胶、塑料、陶瓷、保温砖、空气、真空 隔热材料导热材料材料特性18磁性能 抗磁性材料（磁性相反）：热解碳、银、钻石、铅、石墨、铜、水等 因抗磁性产生磁浮的热解碳 铁磁性材料（磁性很强）： 磁钢、永磁物质、铁、钴、镍等 顺磁性材料（磁性很弱）：铝、奥氏体合金、木材等铁磁性 大多数顺磁性和抗磁性材料作用力都很弱，可认为没磁性。 材料特性19使用环境的影响温度的影响：材料的应用温度、材料的低温性能、材料的高温性能、材料的热稳定性接触物

10、质的影响：化学反应、迁移其它环境的影响：耐腐蚀性、耐紫外线性、防虫、防菌钢20 定义： 以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。（GB/T13304-2008） 密度：7.77.9g/cm3 杨氏模量：190210GPa按成分分类按质量等级分类举例非合金钢普通质量Q195,Q235B优质Q235C,45特殊质量YT1、65Mn低合金钢普通质量Q295A,Q345A优质Q295B,Q345B特殊质量Q345E,Q420合金钢优质Q420bz,电工纯铁,硅钢特殊质量不锈钢，铬钢备注：一些名字带钢的材料不属于钢。例如玻璃钢、赛钢、钨钢（WC）。21钢按成分分类的各元素限制（GB/

11、T13304-2008）钢22 各元素对钢的性能影响钢23一般结构钢弹簧钢不锈钢磁钢铸钢船体用钢铁轨用钢汽车大梁用钢锅炉用钢工具钢电热丝用钢按用途分类此PPT涉及钢24一： 以屈服强度命名 Q235 （屈服点大概在235MPa）(不反应成份)二： 以成分命名 45 （含碳量大概在0.45%的非合金钢） 06Cr19Ni10（大概含碳0.06%，铬19%，镍10%）三：按相关国家、行业、厂家标准命名 冷轧板 DC01， ST12， SPCC 轴承钢 GCr15 含铬1.5%左右的滚动轴承钢类牌号命名方法：钢25 Q代表屈服强度，只规定成份的上限值，通常不热处理。一般结构和工程用钢：钢26牌号引用

12、国标牌号引用国标08FGB/T 699-1999优质 碳素结构钢15MnGB/T 699-1999优质碳素结构钢08.1070Mn1520CrGB/T 3077-1999合金结构钢2020CrMnTi2535SiMn3035CrMo3538CrMoAlA4040Cr4540CrNi.40MnB85.可热处理的优质以上钢种：用成分命名，规定成份的上限、下限，可热处理。钢27冷轧板 是以热轧卷为原料，在室温下在再结晶温度以下进行轧制而成。和热轧板相比表面质量好、光洁度高。参考GBT 5213-2008 冷轧低碳钢板及钢带钢28 镀锌板分电镀锌板和热镀锌板两大类热镀铝锌板热镀锌铁板（白铁皮）热镀锌板

13、电镀锌板钢29 彩涂板 彩色涂层钢板是以冷轧钢板和镀锌钢板为基板，经过表面预处理（脱脂、清洗、化学转化处理），以连续的方法涂上涂料（辊涂法），经过烘烤和冷却而制成的产品。涂层钢板具有轻质、美观和良好的防腐蚀性能，又可直接加工。 型号：TDC51D+Z （CGCC）彩涂板钢30 弹簧钢牌号引用国标65GB/T 1222-2007 弹簧钢708565Mn55SiMnVB60Si2Mn60Si2MnA60Si2CrVA55SiCrA55CrMnA60CrMnA50CrVA60CrMnBA30W4Cr2VA 1，高屈服强度； 2，有一定的塑性 3，有一定的韧性 4，高疲劳强度钢31不锈钢 不锈钢定义

14、（GB/T 20878-2007） 1，以不锈和耐蚀性为主要特性； 2，Cr10.5； 3，C1.5； 4，钢。不锈钢类型主要添加合金一般耐腐蚀性磁性可淬火奥氏体不锈钢 Cr-Ni较好无（弱）否双相不锈钢 Cr-Ni最好有否铁素体不锈钢 Cr较差有否马氏体不锈钢Cr最差有是 沉淀硬化不锈钢Cr-Ni较好 有/无否钢32不锈钢力学性能刚度（弹性模量）：比普通钢相差很少，有时可以认为一样。对比项目06Cr19Ni1065Mn杨氏模量（E）193GPa200GPa剪切模量（G）73GPa80GPa强度：在低碳钢和高碳钢之间（参见下表）钢33常用牌号不锈钢介绍新牌号美国 牌号说明不锈钢类型12Cr17

15、Mn6Ni5N 201添加锰减少镍的用量，耐腐蚀性低，价格低奥氏体12Cr18Mn8Ni5N202（同上）06Cr19Ni10 304最常用的型号、不锈钢的代名词，耐腐蚀性较好，价格高022Cr19Ni10304L含碳量比304低，耐腐蚀更好，强度较差06Cr17Ni12Mo2316比304增加了钼，耐腐蚀更好022Cr17Ni12Mo2316L316低碳版，应用广泛，耐腐蚀更好，强度较差06Cr18Ni11Ti321比304增加钛，降低焊缝腐蚀10Cr17430耐腐蚀较低，有磁性，价格低铁素体 12Cr13410耐腐蚀较低，可淬火，强度高、价格低，可做刀具和机加零件马氏体20Cr13420含

16、碳量更高，强度更高，耐腐蚀更低30Cr13420含碳量更高，强度更高，耐腐蚀更低有色金属34常用有色金属大类应用分类材料标准铜及铜合金板材、型材、管材、棒材GB/T 5231-2001加工铜及铜合金化学成分和产品形状铸造GB 1176-1987铸造铜合金技术条件铝及铝合金板材、型材、管材、棒材GB/T 3190-2008 变形铝及铝合金化学成分压铸GB/T 15115-2009 压铸铝合金铸造GB/T 8733-2007 铸造铝合金锭锌合金压铸件GB/T 13818-2009 压铸锌合金铸造GB/T 8738-2006 铸造用锌合金锭有色金属35密度：8.38.9g/cm3 杨氏模量：100-

17、130GPa 铜，具有良好的导电性能、导热性能、耐热性能及塑性，广泛应用与导线、管道。 铜合金是以铜为主的合金，比铜提高了抗腐蚀能力、减低熔点、提高强度和其它性能。有色金属36常见铜及铜合金牌号类型说明抗拉强度（大概）软态硬态纯铜（红铜、紫铜）含其它元素成份小，导热性好最好、导电性能最好200MPa275MPa黄铜 主要添加锌，相对纯铜强度高，耐腐蚀性能好250MPa350MPa锡青铜主要添加锡，最早的青铜，熔点低、强度高、摩擦系数小400MPa铝青铜主要添加铝，比锡青铜强度高、摩擦系数比锡青铜高550MPa铍青铜 主要添加少量的铍，导热好、导电好、强度高、耐腐蚀好，成本高500MPa1000

18、MPa白铜 主要添加镍，耐腐蚀性能好，强度高，有普通白铜、铁白铜、锰白铜、锌白铜、铝白铜300MPa550MPa有色金属37一些铜及铜合金牌号牌号类型说明T1纯铜含铜：99.95%，常见牌号T2 纯铜含铜：99.90%，常见牌号H65/H62/H59黄铜常见的黄铜牌号HPb59-1铅黄铜加1%铅，使切削容易。但塑性降低，铅对人体和环境有害。QSn6.5-0.1锡青铜含0.1%的磷，提高流动性和强度。QBe2铍青铜强度高、耐腐、导电、导热好。用于触电、模具冷却镶块BZn18-18锌白铜外观好、耐腐蚀好、强度高。用于外壳、元件外壳 ZCuSn10P1 铸造锡青铜铸造成型的锡青铜，强度高、摩擦系数小

19、，用于蜗轮、轴套ZCuAl10Fe铸造铝青铜铸造成型的铝青铜，强度比锡青铜好，摩擦系数比锡青铜高，用于蜗轮、轴套有色金属38密度：8.58.96g/cm3 杨氏模量：100-130GPa 铝合金，密度小，比强度大，塑性幸好导电性能较好、导热性能较好，工业上广泛应用，用量仅次于钢。 密度：2.62.7g/cm3 杨氏模量：69-73GPa有色金属39加工用铝合金牌号（板材、型材、管材、棒材）牌号主要成份强度（MPa）热处理强化耐腐蚀性焊接性出厂状态1XXX纯铝+少量铜75不可高好H112，H24，O2XXX 铝铜镁425可较差差H112，T4，T351，T63XXX铝-锰140-200不可高好H

20、112，H24，O5XXX铝-镁270不可良好H32，H112，H111，H24，O6XXX 铝-镁-硅310可良可H112，T6，T651，T5，T4，O7XXX铝-锌-镁-（铜）572可较差不可T6，T651，T7451，H1124XXX铝-硅合金综合性能差，较少见。有色金属40 铝合金出厂状态 O退火状态出厂，强度最低，塑性最好。 H冷作硬化出厂，一般还可以冷加工，后面第二位数表示硬度。 H111 H112 ：微硬 H32 ：1/4硬 （以前叫半冷作硬化） H24 ：1/2硬 （以前叫冷作硬化） T热处理强化状态出厂，一般除矫直、矫平外，不进行冷加工。有色金属41压铸铝合金牌号代号日标致

21、密性成型后加工耐腐蚀电镀喷涂高温性能YZALSi10MgYL101ADC1好一般一般好一般最好YZALSi12YL102ADC3最好最好差好差好YZALSi10YL104好一般一般最好一般最好YZALSi9Cu4YL112ADC10好好一般差好一般YZALSi11Cu3YL113ADC12好好好一般好好YZALSi17Cu5MgYL117ADC14差好差一般差差YZALMg5Si1YL302最差最差最好最好差最差铸造铝合金 铸造铝合金的系列和加工铝合金的系列相似，但有些不同。有色金属42压铸锌合金 锌合金熔点低（385）、流动性能好、耐腐蚀性能好、非常适合做薄壁压铸件。 缺点：“强度/密度”和

22、“刚度/密度”低，容易蠕变。 密度：6.66.8g/cm3 杨氏模量：108GPa牌号代号美标致密性YZZnAL4AYX040AZamak3流动性良好；机械性能良好；适合做玩具、灯具、装饰品等；应用最为广泛好YZZnAL4BYX040BZamak7对比3号减少镁含量，增加流动性，添加少量镍，增加晶间耐腐蚀性，YZZnAL4Cu1YX041Zamak5流动性良好；机械性能良好；适合做汽车配件、机电配件等YZZnAL4Cu3YX043Zamak2机械性能最好；硬度要求达标；尺寸精度一般YZZnAL8Cu1YX081ZA-8高铝锌合金；耐磨；用于轴承、轴套、蜗轮YZZnAL11Cu1YX111ZA-

23、12YZZnAL27Cu2YX272ZA-27塑料简介43塑料的通用特性：不溶于水；耐化学腐蚀，耐酸，耐碱； 不导电：电阻率10X1020m（杂质和添加成分会影响） 不导热：导热系数0.10.3W/(mK)密度：0.832.2g/cm3 (常用的塑料是0.91.4g/cm3) ；刚度：硬塑料的弹性模量1GPa4GPa，（玻纤增强达10GPa 以上）；强度：2030MPa，（玻纤增强达90MPa ）；塑料简介44塑料的不同特性认识：力学性稍好：PS、ABS、PVC、ABS+PC力学性较好：PC、POM、PET、PPT、PA6（66）、PPS力学性很好：以上材料加玻纤增强 透明：PMMA、PC、P

24、ET、PS、AS、PP、PE、透明ABS 高透明： PMMA、PC、PET 、PS、AS、透明ABS 耐磨： POM、PA绝缘性能好：电木 柔软：软PVC、TPU、TPE、TPV、低密度PE 耐热：尼龙、PC、PET、PBT、PPS微波炉器皿：PP 吹塑：PET、PE 万能：PP改性塑料简介45PPS+GF尼龙+GFPPS尼龙PBTPETPCPOMPMMAPSASABSPVC（硬）PPPE结构工程塑料通用工程塑料通用塑料玻纤增强塑料塑料力学性能比较塑料简介46塑料回收标识不是食品接触材料的标识！有此标识不带表接触食品安全！食品接触材料47食品接触材料定义 与食品接触 已与食品接触 拟与食品接触

25、 不包括：古董、市政供水设备、可食用的外层（如香肠外衣、雪糕筒)。食品接触材料48 QS标识，中国应用于食品和食品接触材料的安全标识。 食品接触材料标识，标示产品可用于食品接触。 不能食用，用于消费者可能误食的材料。 可用于微波炉。产品上常见标识 使用温度。食品接触材料49食品接触类型食品接触温度食品接触时间模拟液种类测试温度测试时间检查析出物测试方法全面迁移：材料的析出总量；特定迁移：某种有害物质的析出量。另外还有从材料萃取有害物质、检查成份等测试方法食品接触材料50常用食品接触材料陶瓷玻璃橡胶纸制品金属铝合金钢制品塑料PETPEPPPS、AS、ABSPCPMMAPA6、PA66铁氟龙密胺禁

26、止授权种类食品接触材料51 陶瓷包括陶器和瓷器，陶瓷容器的历史至少有2万年。长期保存调料容易加工成各种形状档次高尺寸精度差易碎价高可能有害物质：重金属（慢性中毒）食品接触材料52 玻璃因其透明性能，作为食品容器深受喜爱。透明度高容易加工成各种形状长期保存材料易碎价格高（相对于塑料）可能有害物质：重金属（慢性中毒）食品接触材料53 橡胶，一般用硅橡胶或者天然橡胶。软、耐磨密封性能好会老化、变色没刚性重金属（慢性中毒）总锌（摄入过量中毒）苯（有毒、致癌）有害增塑剂（致癌）亚硝酸盐（致癌）芳香胺（致癌）甲醛（刺激、致癌）食品接触材料54 纸，用于食品接触一般有牛皮纸、复合纸、蜡纸等等轻、便宜容易成型

27、方便印刷容易破损透水重金属（慢性中毒）芳香胺（致癌）甲醛（刺激、致癌）荧光增白剂（加重肝负担）五氯苯酚（头痛、腹痛、呕吐、损害中央神经系统）细菌（引起疾病）食品接触材料55 铝合金，延展性非常好，在金属容器里面可以做得壁厚非常薄。延展性好轻溶解于弱酸和碱不适合长期存放调料可能有害物质：重金属铅、镉、铬、镍、铜食品接触材料56 马口铁（镀锡钢板），应用最多的和食品接触的钢制品。镀铬、镀锌钢板过去也常用于和食品接触，现在禁止使用。强度高镀层质量好可长时间存放调料较重镀层脱落后会生锈可能有害物质：重金属铅、镉、铬、镍、铜食品接触材料57 搪瓷，钢表面有一层瓷。强度高表面光洁较重瓷脱落后会生锈可能有害

28、物质：重金属铅、镉、钴食品接触材料58 不锈钢，因其良好的耐腐蚀性，在食品接触材料中应用非常广泛。强度高耐腐蚀较重价格高还是会生锈不易长期装盐、酱油等调味料可能有害物质：重金属铅、镉、铬、镍、铜食品接触材料59 PET，（宝特胶、聚对笨二甲酸乙二醇脂），食品接触材料主要用改性的透明PET，应用非常广泛。高透明高强度高韧性不耐热，60以下（因改性）长期使用可能释放DEHP可能有害物质：DEHP增塑剂（类雌激素）其它有害添加剂和杂质食品接触材料60 PE（软胶、聚乙烯），常用的有高密度PE和低密度PE，应用非常广泛。软、韧耐酸碱、耐有机溶剂耐低温热变形温度低，高温溶解（一般使用温度不超过80）易变形，易老化，易发脆透明度低可能有害物质：有害添加剂和杂质食品接触材料61 PP（百折胶、聚丙烯），耐高温，可盛煮沸开水，唯一可用于微波炉的普通塑料。耐高温，可以装沸水材料稳定，安全性较好耐化学腐蚀，耐油脂透明度低高温下也会变软可能有害物质：有害添加剂和杂质食品接触材料62 苯乙烯塑料，包括PS、AS、ABS ，综合力学性能较好。AS一般透明，PS和ABS有透明料。相对PP、PE透明度较高综合机械性能较好缺口敏感会分解苯乙烯（特别