課題1金屬材料

1、課題1金屬材料一、教學目的要求.通過日常生活中廣泛使用金屬材料等具體事例，認識金屬材料與人類生活和社會發(fā)展的密切關(guān)系。.了解常見金屬的物理性質(zhì)，知道物質(zhì)的性質(zhì)在很大程度上決定了物質(zhì)的用途，但同時還需考慮如價格、資源以及廢料是否易于回收等其他因素。.認識在金屬中加熱熔合某些金屬或非金屬可以制得合金，知道生鐵和鋼等重要合金，以及合金比純金屬具有更廣泛的用途。二、本課題分析本課題分為兩部分。第一部分從日常生活用品很多是用金屬材料制成的入手，說明金屬材料包括純金屬和合金兩類，并從社會發(fā)展的歷史說明鐵、銅、鋁及其合金是人類使用最多的金屬材料。教材注意聯(lián)系學生的生活經(jīng)驗，配合實物照片介紹了金屬具有金屬光澤

2、，能傳熱、導電，有延展性等重要物理性質(zhì)，同時采用列表的方式，給出了一些常見金屬物理性質(zhì)的數(shù)據(jù)，為如何利用金屬的物理性質(zhì)提供了重要依據(jù)。教材把重點放在“討論”及對物質(zhì)的性質(zhì)與用途關(guān)系的了解上，注意培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力。第二部分重點介紹合金。教材用廚師在炒菜時常會在菜里加入各種調(diào)料以改善菜的色、香、味的事實作比喻，說明在純金屬中加熱熔合某些金屬或非金屬，可以制得與純金屬性質(zhì)不同的合金，如生鐵和鋼等，這些合金具有某些比純金屬更好的性能。教材接著通過實驗讓學生親身體驗合金與純金屬性質(zhì)的不同，了解為什么合金比純金屬具有更廣泛用途的原因。教材以列表的方式簡略地介紹了一些常見合金的主要成分、性能和用途

3、。教材還介紹了21世紀的重要金屬材料口鈦和鈦合金，連同在“化學技術(shù)社會”中介紹的高新科技的內(nèi)容形狀記憶合金，在一定程度上體現(xiàn)了21世紀金屬材料的發(fā)展趨勢，有利于拓寬學生的眼界。教學建議如下：.課前可以由學生收集一些常見的金屬材料，由實物或事實入手，使學生認識金屬材料與日常生活以及社會發(fā)展的關(guān)系，并進而引入到對金屬的物理性質(zhì)的教學。.重點組織好教材中的“討論”，要引導學生從多個角度思考問題，對有些討論題應說出不止一個理由。也可以結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況提出一些學生感興趣的討論題。通過討論引導學生形成以下認識：物質(zhì)的性質(zhì)在很大程度上決定了物質(zhì)的用途，但這不是唯一的決定因素，在考慮物質(zhì)的用途時，還需考慮價

4、格、資源、是否美觀、使用是否便利，以及廢料是否易于回收和對環(huán)境的影響等多種因素。3.認真做好【實驗8-13.認真做好【實驗8-1】和【實驗8-2】，這是使學生認識物質(zhì)組成的改變會使其性能發(fā)生改變的重要依據(jù)，也是為什么目前純金屬只有90余種，但由這些純金屬按一定組成和質(zhì)量比制得的合金已達幾千種的原因。.常見合金的主要成分、性能和用途表，以及鈦和鈦合金等屬于常識性介紹內(nèi)容，學生只需留有大致印象即可。教師應使學生了解如何查閱這些資料的途徑，以培養(yǎng)學生獨立獲取知識的能力。.資料“金屬之最”以及“形狀記憶合金”具有較強的趣味性，可以結(jié)合這些內(nèi)容引導學生進一步查閱有關(guān)資料，辦一期化學小報或墻報等。鋼的淬火

5、和回火實驗同樣具有很強的趣味性，且簡單易做，應鼓勵學生做。三、實驗說明和建議.【實驗8-1】可以結(jié)合當?shù)氐那闆r，適當補充或更換合金及其組分金屬。.【實驗8-2】由于鉛蒸氣有毒，該實驗應該在通風櫥中進行。四、部分習題參考答案及說明第4題和第5題都為開放性習題，可以有多種答案，只要理由充分即可，不追求統(tǒng)一的答案。000kg鐵紅中最多含鐵700kg。五、資料.鉑金和白金白金全稱為“白色K金”，是將黃金與銅、鎳、鋅等金屬熔合在一起后所制成的一種白色合金。其中，黃金的質(zhì)量分數(shù)最多為75%。鉑是稀有的貴金屬，在首飾行業(yè)又叫做鉑金，開采量只有黃金的5%。鉑金的強度和韌性都比其他貴金屬高得多，1g鉑金可以拉成

6、1.6km長的細絲而不斷裂，因此用鉑金制作的首飾堅韌，如鉆石鑲嵌其中會很牢固，不易脫落。鉑金的白色光澤是天然的，經(jīng)久不會改變，而白金的色澤不是天然的，時間長了就可能會褪色。2000年全球鉑金的消費接近100t,其中，亞洲的消費超過65t。按照國家技術(shù)監(jiān)督局的規(guī)定，我國國內(nèi)生產(chǎn)的所有鉑金首飾都應標上鉑的元素符號Pt的專有標志。通常所說的“Pt900”或“Pt950”表示首飾材料中粕的質(zhì)量分數(shù)分別為90%或95%。.常用合金(1)鋼鐵鋼鐵是鐵與C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所組成的合金。其中除Fe外，C的含量對鋼鐵的機械性能起著主要作用，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。它是工程技術(shù)中最重要、用量最大的

7、金屬材料。按含碳量不同，鐵碳合金分為鋼與生鐵兩大類，鋼是含碳量為0.03%2%的鐵碳合金。碳鋼是最常用的普通鋼，冶煉方便、加工容易、價格低廉，而且在多數(shù)情況下能滿足使用要求，所以應用十分普遍。按含碳量不同，碳鋼又分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。隨含碳量升高，碳鋼的硬度增加、韌性下降。合金鋼又叫特種鋼，在碳鋼的基礎(chǔ)上加入一種或多種合金元素，使鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而具有一些特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韌性、耐腐蝕性，等等。經(jīng)常加入鋼中的合金元素有Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti等。我國合金鋼的資源相當豐富，除Cr、Co不足，Mn品位較低外，W、Mo、V、Ti和稀土金屬儲量都很高

8、。21世紀初，合金鋼在鋼的總產(chǎn)量中的比例將有大幅度增長。含碳量2%4.3%的鐵碳合金稱生鐵。生鐵硬而脆，但耐壓耐磨。根據(jù)生鐵中碳存在的形態(tài)不同又可分為白口鐵、灰口鐵和球墨鑄鐵。白口鐵中碳以Fe3c形態(tài)分布，斷口呈銀白色，質(zhì)硬而脆，不能進行機械加工，是煉鋼的原料，故又稱煉鋼生鐵。碳以片狀石墨形態(tài)分布的稱灰口鐵，斷口呈銀灰色，易切削，易鑄，耐磨。若碳以球狀石墨分布則稱球墨鑄鐵，其機械性能、加工性能接近于鋼。在鑄鐵中加入特種合金元素可得特種鑄鐵，如加入Cr,耐磨性可大幅度提高，在特種條件下有十分重要的應用。(2)鋁合金鋁是分布較廣的元素,在地殼中含量僅次于氧和硅,是金屬中含量最高的。純鋁密度較低,為

9、2.7g/cm3,有良好的導熱、導電性(僅次于Au、Ag、Cu),延展性好、塑性高，可進行各種機械加工。鋁的化學性質(zhì)活潑,在空氣中迅速氧化形成一層致密、牢固的氧化膜,因而具有良好的耐蝕性。但純鋁的強度低,只有通過合金化才能得到可作結(jié)構(gòu)材料使用的各種鋁合金。鋁合金的突出特點是密度小、強度高。鋁中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蝕性,良好的塑性和較高的強度,稱為防銹鋁合金,用于制造油箱、容器、管道、鉚釘?shù)?。硬鋁合金的強度較防銹鋁合金高，但防蝕性能有所下降，這類合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。新近開發(fā)的高強度硬鋁，強度進一步提高，而密度比普通硬鋁減小15

10、%,且能擠壓成型，可用作摩托車骨架和輪圈等構(gòu)件。Al-Li合金可制作飛機零件和承受載重的高級運動器材。目前高強度鋁合金廣泛應用于制造飛機、艦艇和載重汽車等,可增加它們的載重量以及提高運行速度,并具有抗海水侵蝕,避磁性等特點。(3)銅合金純銅呈紫紅色,故又稱紫銅,有極好的導熱、導電性,其導電性僅次于銀而居金屬的第二位。銅具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和耐蝕性能,是優(yōu)良的電工用金屬材料。工業(yè)中廣泛使用的銅合金有黃銅、青銅和白銅等。Cu與Zu的合金稱黃銅，其中Cu占60%90%、Zn占40%10%,有優(yōu)良的導熱性和耐腐蝕性，可用作各種儀器零件。再如在黃銅中加入少量Sn,稱為海軍黃銅，具有很好的抗海水腐蝕的能力

11、。在黃銅中加入少量的有潤滑作用的Pb,可用作滑動軸承材料。青銅是人類使用歷史最久的金屬材料，它是CuSn合金。錫的加入明顯地提高了銅的強度，并使其塑性得到改善，抗腐蝕性增強，因此錫青銅常用于制造齒輪等耐磨零部件和耐蝕配件。Sn較貴，目前已大量用Al、Si、Mn來代替Sn而得到一系列青銅合金。鋁青銅的耐蝕性比錫青銅還好。鈹青銅是強度最高的銅合金，它無磁性又有優(yōu)異的抗腐蝕性能，是可與鋼相競爭的彈簧材料。白銅是Cu-Ni合金，有優(yōu)異的耐蝕性和高的電阻，故可用作苛刻腐蝕條件下工作的零部件和電阻器的材料。.特種合金目前工業(yè)上應用的合金種類數(shù)以千計,現(xiàn)只簡要地介紹其中幾大類。(1)耐蝕合金金屬材料在腐蝕性

12、介質(zhì)中所具有的抵抗介質(zhì)侵蝕的能力,稱金屬的耐蝕性。純金屬中耐蝕性高的通常具備下述三個條件之一：熱力學穩(wěn)定性高的金屬。通?？捎闷錁藴孰姌O電勢來判斷，其數(shù)值較正者穩(wěn)定性較高；較負者則穩(wěn)定性較低。耐蝕性好的貴金屬，如Pt、Au、Ag、Cu等就屬于這一類。易于鈍化的金屬。不少金屬可在氧化性介質(zhì)中形成具有保護作用的致密氧化膜，這種現(xiàn)象稱為鈍化。金屬中最容易鈍化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等。表面能生成難溶的和保護性能良好的腐蝕產(chǎn)物膜的金屬這種情況只有在金屬處于特定的腐蝕介質(zhì)中才出現(xiàn)，例如，Pb和Al在H2SO4溶液中，F(xiàn)e在H3PO4溶液中，Mo在鹽酸中以及Zn在大氣中等。因此,工業(yè)上根據(jù)上述

13、原理,采用合金化方法獲得一系列耐蝕合金,一般有相應的三種方法：提高金屬或合金的熱力學穩(wěn)定性，即向原不耐蝕的金屬或合金中加入熱力學穩(wěn)定性高的合金元素，使形成固溶體以及提高合金的電極電勢，增強其耐蝕性。例如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等，即屬此類。不過這種大量加入貴金屬的辦法，在工業(yè)結(jié)構(gòu)材料中的應用是有限的。加入易鈍化合金元素，如Cr、Ni、Mo等，可提高基體金屬的耐蝕性。在鋼中加入適量的Cr,即可制得鉻系不銹鋼。實驗證明，在不銹鋼中，含Cr量一般應大于13%時才能起抗蝕作用，Cr含量越高，其耐蝕性越好。這類不銹鋼在氧化介質(zhì)中有很好的抗蝕性，但在非氧化性介質(zhì)如稀硫酸和鹽酸中,耐蝕性較差。

14、這是因為非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,同時對氧化膜還有溶解作用。加入能促使合金表面生成致密的腐蝕產(chǎn)物保護膜的合金元素，是制取耐蝕合金的又一途徑。例如，鋼能耐大氣腐蝕是由于其表面形成結(jié)構(gòu)致密的化合物羥基氧化鐵FeOx(OH)23-2x,它能起保護作用。鋼中加入Cu與P或P與Cr均可促進這種保護膜的生成，由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大氣腐蝕的低合金鋼。金屬腐蝕是工業(yè)上危害最大的自發(fā)過程，因此耐蝕合金的開發(fā)與應用，有重大的社會意義和經(jīng)濟價值。(2)耐熱合金這類合金又稱高溫合金，它對于在高溫條件下的工業(yè)部門和應用技術(shù)領(lǐng)域有著重大的意義。一般說，金屬材料的熔點越高，其可使用的溫度限度越高。這是因為

15、隨著溫度的升高，金屬材料的機械性能顯著下降，氧化腐蝕的趨勢相應增大，因此，一般的金屬材料都只能在500600下長期工作。能在高于700的高溫下工作的金屬通稱耐熱合金?！澳蜔帷笔侵钙湓诟邷叵履鼙３肿銐驈姸群土己玫目寡趸?。提高鋼鐵抗氧化性的途徑有兩條：一是在鋼中加入Cr、Si、Al等合金元素，或者在鋼的表面進行Cr、Si、Al合金化處理。它們在氧化性氣氛中可很快生成一層致密的氧化膜，并牢固地附在鋼的表面，從而有效地阻止氧化的繼續(xù)進行。二是用各種方法在鋼鐵表面形成高熔點的氧化物、碳化物、氮化物等耐高溫涂層。提高鋼鐵高溫強度的方法很多，從結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的化學觀點看，大致有兩種主要方法：一是增加鋼中原子間

16、在高溫下的結(jié)合力。研究指出，金屬中結(jié)合力，即金屬鍵強度大小，主要與原子中未成對的電子數(shù)有關(guān)。從周期表中看，WB元素金屬鍵在同一周期內(nèi)最強。因此，在鋼中加入Cr、Mo、W等原子的效果最佳。二是加入能形成各種碳化物或金屬間化合物的元素，以使鋼基體強化。由若干過渡金屬與碳原子生成的碳化物屬于間隙化合物，它們在金屬鍵的基礎(chǔ)上，又增加了共價鍵的成分，因此硬度極大，熔點很高。例如，加入亞、Mo、V、Nb可生成WC、W2C、MoC、Mo2C、VC、NbC等碳化物，從而增加了鋼鐵的高溫強度。利用合金方法，除鐵基耐熱合金外，還可制得鎳基、鉬基、鈮基和鎢基耐熱合金，它們在高溫下具有良好的機械性能和化學穩(wěn)定性。其中

17、鎳基合金是最優(yōu)的超耐熱金屬材料，組織中基體是NiCrCo的固溶體和Ni3Al金屬化合物，經(jīng)處理后，其使用溫度可達10001100。鈦合金鈦是周期表中第IVB類元素，外觀似鋼，熔點達1672,屬難熔金屬。鈦在地殼中含量較豐富，遠高于Cu、Zn、Sn、Pb等常見金屬。我國鈦的資源極為豐富，僅四川攀枝花地區(qū)發(fā)現(xiàn)的特大型釩鈦磁鐵礦中，伴生鈦金屬儲量約達4.2億噸，接近國外探明鈦儲量的總和。純鈦機械性能強，可塑性好，易于加工，如有雜質(zhì)，特別是O、N、C等元素存在，會提高鈦的強度和硬度，但會降低其塑性，增加脆性。鈦是容易鈍化的金屬，且在含氧環(huán)境中，其鈍化膜在受到破壞后還能自行愈合。因此，鈦對空氣、水和若干

18、腐蝕介質(zhì)都是穩(wěn)定的。鈦和鈦合金有優(yōu)異的耐蝕性，只能被氫氟酸和中等濃度的強堿溶液所侵蝕。特別是鈦對海水很穩(wěn)定，將鈦或鈦合金放入海水中數(shù)年，取出后，仍光亮如初，遠優(yōu)于不銹鋼。鈦的另一重要特性是密度小。其強度是不銹鋼的3.5倍，鋁合金的1.3倍，是目前所有工業(yè)金屬材料中最高的。液態(tài)的鈦幾乎能溶解所有的金屬，形成固溶體或金屬化合物等各種合金。合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善鈦的性能，以適應不同部門的需要。例如，Ti-Al-Sn合金有很高的熱穩(wěn)定性，可在相當高的溫度下長時間工作；以Ti-Al-V合金為代表的超塑性合金，可以50%150%地伸長加工成型，其最大伸長可達到20

19、00%。而一般合金的塑性加工的伸長率最大不超過30%。由于上述優(yōu)異性能，鈦享有“未來的金屬”的美稱。鈦合金已廣泛用于國民經(jīng)濟各部門，它是火箭、導彈和航天飛機不可缺少的材料。船舶、化工、電子器件和通訊設(shè)備以及若干輕工業(yè)部門中要大量應用鈦合金，只是目前鈦的價格較昂貴，限制了它的廣泛使用。(4)磁性合金材料在外加磁場中，可表現(xiàn)出三種情況：不被磁場所吸引的，叫反磁性材料；微弱地被磁場所吸引的，叫順磁性材料；強烈地被磁場吸引的，稱鐵磁性材料，其磁性隨外磁場的加強而急劇增高，并在外磁場移走后，仍能保留磁性。金屬材料中，大多數(shù)過渡金屬具有順磁性；只有Fe、Co、Ni等少數(shù)金屬是鐵磁性的。金屬中組成永磁材料的

20、主要元素是Fe、Co、Ni和某些稀土元素。目前使用的永磁合金有稀土I磁性合用。以有著日益廣泛的應土I磁性合用。以有著日益廣泛的應.鋁的性質(zhì)和用途物質(zhì)的用途在很大程度上取決于物質(zhì)的性質(zhì)。由于鋁有多種優(yōu)良性能，因而鋁有著極為廣泛的用途。鋁的密度很小，僅為2.7g/cm3,雖然它比較軟，但可制成各種鋁合金，如硬鋁、超硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等。這些鋁合金廣泛應用于飛機、汽車、火車、船舶等制造工業(yè)。此外，宇宙火箭、航天飛機、人造衛(wèi)星也使用大量的鋁及其合金。例如，一架超音速飛機約由70%的鋁及其合金構(gòu)成。船舶建造中也大量使用鋁，一艘大型客船的用鋁量常達幾千噸。(2)鋁的導電性僅次于銀、銅，雖然它的導電率只有銅

21、的2/3，但密度只有銅的1/3，所以輸送同量的電，鋁線的質(zhì)量只有銅線的一半。鋁表面的氧化膜不僅有耐腐蝕的能力，而且有一定的絕緣性，所以鋁在電器制造工業(yè)、電線電纜工業(yè)和無線電工業(yè)中有廣泛的用途。(3)鋁是熱的良導體，它的導熱能力比鐵大3倍，工業(yè)上可用鋁制造各種熱交換器、散熱材料和炊具等。(4)鋁有較好的延展性(它的延展性僅次于金和銀)，在100150時可制成薄于0.01mm的鋁箔。這些鋁箔廣泛用于包裝香煙、糖果等，還可制成鋁絲、鋁條，并能軋制各種鋁制品。(5)鋁的表面因有致密的氧化物保護膜，不易受到腐蝕，常被用來制造化學反應器、醫(yī)療器械、冷凍裝置、石油精煉裝置、石油和天然氣管道等。(6)鋁粉具有

22、銀白色光澤(一般金屬在粉末狀時的顏色多為黑色)，常用來做涂料，俗稱銀粉、銀漆，以保護鐵制品不被腐蝕，而且美觀。(7)鋁在氧氣中燃燒能放出大量的熱和耀眼的光，常用于制造爆炸混合物，如銨鋁炸藥(由硝酸銨、木炭粉、鋁粉、煙黑及其他可燃性有機物混合而成)、燃燒混合物(如用鋁熱劑做的炸彈和炮彈可用來攻擊難以著火的目標或坦克、大炮等)和照明混合物(如含硝酸鋇68%、鋁粉28%、蟲膠4%)。(8)鋁熱劑常用來熔煉難熔金屬和焊接鋼軌等。鋁還用做煉鋼過程中的脫氧劑。鋁粉和石墨、二氧化鈦(或其他高熔點金屬的氧化物)按一定比率均勻混合后，涂在金屬上，經(jīng)高溫煅燒而制成耐高溫的金屬陶瓷，它在火箭及導彈技術(shù)上有重要應用。(9)鋁板對光的反射性能也很好，反射紫外線比銀強，鋁越純，其反射能力越好，因此常用來制造高質(zhì)量的反射鏡，如太陽灶反射鏡等。(10)鋁具有吸音性能，音響效果也較好，所以廣播室、現(xiàn)代化大型建筑室內(nèi)的天花板等也采用鋁。.銅是人類應用最早的金屬銅是人類認識并應用最早的金屬之一。我國是最早使用銅器的國家之一。到目前為止，發(fā)現(xiàn)的中國最早的青銅器出自新石器時代后期，相當于中原夏代的一些文化遺址中。在商代早期遺址中出土了較大型的青銅器。中國商代