课题1金属材料

课题1金属材料 一、教学目的要求 1.通过日常生活中广泛使用金属材料等具体事例,认识金属材料与人类生活和社会发展的密切关系。 2.了解常见金属的物理性质,知道物质的性质在很大程度上决定了物质的用途,但同时还需考虑如价格、资源以及废料是否易于回收等其他因素。 3.认识在金属中加热熔合某些金属或非金属可以制得合金,知道生铁和钢等重要合金,以及合金比纯金属具有更广泛的用途。 二、本课题分析 本课题分为两部分。第一部分从日常生活用品很多是用金属材料制成的入手,说明金属材料包括纯金属和合金两类,并从社会发展的历史说明铁、铜、铝及其合金是人类使用最多的金属材料。教材注意联系学生的生活经验,配合实物照片介绍了金属具有金属光泽,能传热、导电,有延展性等重要物理性质,同时采用列表的方式,给出了一些常见金属物理性质的数据,为如何利用金属的物理性质提供了重要依据。教材把重点放在“讨论”及对物质的性质与用途关系的了解上,注意培养学生综合分析问题的能力。 第二部分重点介绍合金。教材用厨师在炒菜时常会在菜里加入各种调料以改善菜的色、香、味的事实作比喻,说明在纯金属中加热熔合某些金属或非金属,可以制得与纯金属性质不同的合金,如生铁和钢等,这些合金具有某些比纯金属更好的性能。教材接着通过实验让学生亲身体验合金与纯金属性质的不同,了解为什么合金比纯金属具有更广泛用途的原因。教材以列表的方式简略地介绍了一些常见合金的主要成分、性能和用途。教材还介绍了21世纪的重要金属材料──钛和钛合金,连同在“化学技术社会”中介绍的高新科技的内容──形状记忆合金,在一定程度上体现了21世纪金属材料的发展趋势,有利于拓宽学生的眼界。 教学建议如下: 1.课前可以由学生收集一些常见的金属材料,由实物或事实入手,使学生认识金属材料与日常生活以及社会发展的关系,并进而引入到对金属的物理性质的教学。 2.重点组织好教材中的“讨论”,要引导学生从多个角度思考问题,对有些讨论题应说出不止一个理由。也可以结合当地的实际情况提出一些学生感兴趣的讨论题。通过讨论引导学生形成以下认识:物质的性质在很大程度上决定了物质的用途,但这不是唯一的决定因素,在考虑物质的用途时,还需考虑价格、资源、是否美观、使用是否便利,以及废料是否易于回收和对环境的影响等多种因素。 3.认真做好【实验8-1】和【实验8-2】,这是使学生认识物质组成的改变会使其性能发生改 变的重要依据,也是为什么目前纯金属只有90余种,但由这些纯金属按一定组成和质量比制得的合金已达几千种的原因。 4.常见合金的主要成分、性能和用途表,以及钛和钛合金等属于常识性介绍内容,学生只需留有大致印象即可。教师应使学生了解如何查阅这些资料的途径,以培养学生独立获取知识的能力。 5.资料“金属之最”以及“形状记忆合金”具有较强的趣味性,可以结合这些内容引导学生进一步查阅有关资料,办一期化学小报或墙报等。钢的淬火和回火实验同样具有很强的趣味性,且简单易做,应鼓励学生做。 三、实验说明和建议 1.【实验8-1】可以结合当地的情况,适当补充或更换合金及其组分金属。 2.【实验8-2】由于铅蒸气有毒,该实验应该在通风橱中进行。 四、部分习题参考答案及说明 第4题和第5题都为开放性习题,可以有多种答案,只要理由充分即可,不追求统一的答案。 6.1 000 kg铁红中最多含铁700 kg。 五、资料 1.铂金和白金 白金全称为“白色K 金”,是将黄金与铜、镍、锌等金属熔合在一起后所制成的一种白色合金。其中,黄金的质量分数最多为75%。 铂是稀有的贵金属,在首饰行业又叫做铂金,开采量只有黄金的5%。铂金的强度和韧性都比其他贵金属高得多,1 g铂金可以拉成1.6 km长的细丝而不断裂,因此用铂金制作的首饰坚韧,如钻石镶嵌其中会很牢固,不易脱落。铂金的白色光泽是天然的,经久不会改变,而白金的色泽不是天然的,时间长了就可能会褪色。2000年全球铂金的消费接近100 t,其中,亚洲的消费超过65 t。 按照国家技术监督局的规定,我国国内生产的所有铂金首饰都应标上铂的元素符号Pt的专有标志。通常所说的“Pt 900”或“Pt 950”表示首饰材料中铂的质量分数分别为90%或95%。 2.常用合金 (1)钢铁 钢铁是铁与C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所组成的合金。其中除Fe外,C的含量 对钢铁的机械性能起着主要作用,故统称为铁碳合金。它是工程技术中最重要、用量最大的金属材料。 按含碳量不同,铁碳合金分为钢与生铁两大类,钢是含碳量为0.03%~2%的铁碳合金。碳钢是最常用的普通钢,冶炼方便、加工容易、价格低廉,而且在多数情况下能满足使用要求,所以应用十分普遍。按含碳量不同,碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。随含碳量升高,碳钢的硬度增加、韧性下降。合金钢又叫特种钢,在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素,使钢的组织结构和性能发生变化,从而具有一些特殊性能,如高硬度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性,等等。经常加入钢中的合金元素有Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti等。我国合金钢的资源相当丰富,除Cr、Co不足,Mn品位较低外,W、Mo、V、Ti和稀土金属储量都很高。21世纪初,合金钢在钢的总产量中的比例将有大幅度增长。 含碳量2%~4.3%的铁碳合金称生铁。生铁硬而脆,但耐压耐磨。根据生铁中碳存在的形态不同又可分为白口铁、灰口铁和球墨铸铁。白口铁中碳以Fe3C形态分布,断口呈银白色,质硬而脆,不能进行机械加工,是炼钢的原料,故又称炼钢生铁。碳以片状石墨形态分布的称灰口铁,断口呈银灰色,易切削,易铸,耐磨。若碳以球状石墨分布则称球墨铸铁,其机械性能、加工性能接近于钢。在铸铁中加入特种合金元素可得特种铸铁,如加入Cr,耐磨性可大幅度提高,在特种条件下有十分重要的应用。 (2)铝合金 铝是分布较广的元素,在地壳中含量仅次于氧和硅,是金属中含量最高的。纯铝密度较低,为2.7 g/cm3,有良好的导热、导电性(仅次于Au、Ag、Cu),延展性好、塑性高,可进行各种机械加工。铝的化学性质活泼,在空气中迅速氧化形成一层致密、牢固的氧化膜,因而具有良好的耐蚀性。但纯铝的强度低,只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金。 铝合金的突出特点是密度小、强度高。铝中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蚀性,良好的塑性和较高的强度,称为防锈铝合金,用于制造油箱、容器、管道、铆钉等。硬铝合金的强度较防锈铝合金高,但防蚀性能有所下降,这类合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。新近开发的高强度硬铝,强度进一步提高,而密度比普通硬铝减小15%,且能挤压成型,可用作摩托车骨架和轮圈等构件。Al-Li合金可制作飞机零件和承受载重的高级运动器材。 目前高强度铝合金广泛应用于制造飞机、舰艇和载重汽车等,可增加它们的载重量以及提高运行速度,并具有抗海水侵蚀,避磁性等特点。 (3)铜合金 纯铜呈紫红色,故又称紫铜,有极好的导热、导电性,其导电性仅次于银而居金属的第二位。铜具有优良的化学稳定性和耐蚀性能,是优良的电工用金属材料。 工业中广泛使用的铜合金有黄铜、青铜和白铜等。 Cu与Zu的合金称黄铜,其中Cu占60%~90%、Zn占40%~10%,有优良的导热性和耐腐蚀性,可用作各种仪器零件。再如在黄铜中加入少量Sn,称为海军黄铜,具有很好的抗海水腐蚀的能力。在黄铜中加入少量的有润滑作用的Pb,可用作滑动轴承材料。 青铜是人类使用历史最久的金属材料,它是Cu Sn合金。锡的加入明显地提高了铜的强度,并使其塑性得到改善,抗腐蚀性增强,因此锡青铜常用于制造齿轮等耐磨零部件和耐蚀配件。Sn较贵,目前已大量用Al、Si、Mn来代替Sn而得到一系列青铜合金。铝青铜的耐蚀性比锡青铜还好。铍青铜是强度最高的铜合金,它无磁性又有优异的抗腐蚀性能,是可与钢相竞争的弹簧材料。 白铜是Cu-Ni合金,有优异的耐蚀性和高的电阻,故可用作苛刻腐蚀条件下工作的零部件和电阻器的材料。 3.特种合金 目前工业上应用的合金种类数以千计,现只简要地介绍其中几大类。 (1)耐蚀合金 金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力,称金属的耐蚀性。纯金属中耐蚀性高的通常具备下述三个条件之一: ①热力学稳定性高的金属。通常可用其 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电极电势来判断,其数值较正者稳定性较高;较负者则稳定性较低。耐蚀性好的贵金属,如Pt、Au、Ag、Cu等就属于这一类。 ②易于钝化的金属。不少金属可在氧化性介质中形成具有保护作用的致密氧化膜,这种现象称为钝化。金属中最容易钝化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等。 ③表面能生成难溶的和保护性能良好的腐蚀产物膜的金属。这种情况只有在金属处于特定的腐蚀介质中才出现,例如,Pb和Al在H2SO4溶液中,Fe在H3PO4溶液中,Mo在盐酸中以及Zn在大气中等。 因此,工业上根据上述原理,采用合金化方法获得一系列耐蚀合金,一般有相应的三种方法: ①提高金属或合金的热力学稳定性,即向原不耐蚀的金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素,使形成固溶体以及提高合金的电极电势,增强其耐蚀性。例如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等,即属此类。不过这种大量加入贵金属的办法,在工业结构材料中的应用是有限的。 ②加入易钝化合金元素,如Cr、Ni、Mo等,可提高基体金属的耐蚀性。在钢中加入适量的Cr,即可制得铬系不锈钢。实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ,在不锈钢中,含Cr量一般应大于13%时才能起抗蚀作用,Cr含量越高,其耐蚀性越好。这类不锈钢在氧化介质中有很好的抗蚀性,但在非氧化性介质如稀硫酸和盐酸中,耐蚀性较差。这是因为非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,同时对氧化膜还有溶解作用。 ③加入能促使合金表面生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元素,是制取耐蚀合金的又一途径。例如,钢能耐大气腐蚀是由于其表面形成结构致密的化合物羟基氧化铁[FeOx·(OH)23-2x],它能起保护作用。钢中加入Cu与P或P与Cr均可促进这种保护膜的生成,由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大气腐蚀的低合金钢。 金属腐蚀是工业上危害最大的自发过程,因此耐蚀合金的开发与应用,有重大的社会意义和经济价值。 (2)耐热合金 这类合金又称高温合金,它对于在高温条件下的工业部门和应用技术领域有着重大的意义。 一般说,金属材料的熔点越高,其可使用的温度限度越高。这是因为随着温度的升高,金属材料的机械性能显著下降,氧化腐蚀的趋势相应增大,因此,一般的金属材料都只能在500 ℃~600 ℃下长期工作。能在高于700 ℃的高温下工作的金属通称耐热合金。“耐热”是指其在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性。 提高钢铁抗氧化性的途径有两条:一是在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素,或者在钢的表面进行Cr、Si、Al合金化处理。它们在氧化性气氛中可很快生成一层致密的氧化膜,并牢固地附在钢的表面,从而有效地阻止氧化的继续进行。二是用各种方法在钢铁表面形成高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等耐高温涂层。 提高钢铁高温强度的方法很多,从结构、性质的化学观点看,大致有两种主要方法: 一是增加钢中原子间在高温下的结合力。研究指出,金属中结合力,即金属键强度大小,主要与原子中未成对的电子数有关。从周期表中看,ⅥB元素金属键在同一周期内最强。因此,在钢中加入Cr、Mo、W等原子的效果最佳。 二是加入能形成各种碳化物或金属间化合物的元素,以使钢基体强化。由若干过渡金属与碳原子生成的碳化物属于间隙化合物,它们在金属键的基础上,又增加了共价键的成分,因此硬度极大,熔点很高。例如,加入W、Mo、V、Nb可生成WC、W2C、MoC、Mo2C、VC、NbC等碳化物,从而增加了钢铁的高温强度。 利用合金方法,除铁基耐热合金外,还可制得镍基、钼基、铌基和钨基耐热合金,它们在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性。其中镍基合金是最优的超耐热金属材料,组织中基体是Ni Cr Co的固溶体和Ni3Al金属化合物,经处理后,其使用温度可达1 000 ℃~ 1 100 ℃。 (3)钛合金 钛是周期表中第IVB类元素,外观似钢,熔点达1 672 ℃,属难熔金属。钛在地壳中含量较丰富,远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。我国钛的资源极为丰富,仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中,伴生钛金属储量约达4.2亿吨,接近国外探明钛储量的总和。 继续阅读