5.1.1金属材料课件(共44张PPT)2023-2024学年度沪教版化学九年级上册

(共44张PPT)
沪教版
课时1 金属材料
（高铁建设中金属材料的选择）
九年级上册
1.能够描述金属的主要物理性质,会用物理特性区别不同的金属，并能将金属的性质与其用途联系起来。
2.能够实验验证纯金属与合金的性质差异，形成元素组成不同合金性质也不同的观念，且能举例说明合金在生产生活中的应用。
3.能够利用多种数据或实验证据，综合多种因素分析具体任务中金属材料的选择，进一步领会化学对生产生活的重要价值。
学习目标
重难点
重点
高铁与铁轨
高铁建设过程中，如何选择金属材料？
任务一：选择铁路轨道金属
问题：作为轨道建设的金属有哪些要求？如何选择金属？
金属的用途是由其性质所决定的。选择金属需要先了解金属的物理性质。
不易变形
能承受巨大压力
耐磨韧性好
不易腐蚀
···
铜(Cu)
金(Au)
铁(Fe)
银(Ag)
有金属光泽。
铁
铁粉
有些金属粉末细小到一定程度时，吸收可见光后辐射不出去，所以金属粉末一般呈暗灰色或黑色。
铜
铜粉
观察下列金属及其制品，它们的外观有什么共同之处？
金属能够导电。
铁导线
铝芯线
铜电缆
铁、铝、铜可制导线，这反映了金属的什么性质？
金属能够导热。
铁锅、铝锅、铜火锅可以用来炒菜、烧水、涮肉，这反映了金属的什么性质？
金属有延展性。
铁、铜、铝能拉成丝，也能展成薄片，这反映了金属的什么性质？
金属一般物理性质(共性)
金属的物理共性
常温下，大多数金属为固体
具有金属光泽
大多数金属具有良好的导电性、导热性、延展性
一些金属物理性质的比较
物理性质 物理性质比较 导电性（以银的导 电性为100作标准） 银 铜 金 铝 铁 锌 铅
(优) 100 99 74 61 27 17 7.9 (良) 密度/（g·cm-3） 金 铅 银 铜 铁 锌 铝
(大) 19.3 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70 (小) 熔点/℃ 钨 铁 铜 金 银 铝 锡
(高) 3410 1535 1083 1064 962 660 232 (低) 硬度（以金刚石的 硬度为10作标准） 铬 铁 银 铜 金 铝 铅
(大) 9 4~5 2.5~4 2.5~3 2.5~3 2~2.9 1.5 (小) 地壳中含量最高的金属元素___________；
人体中含量最高的金属元素___________；
目前世界年产量最高的金属___________；
导电、导热性最好的金属___________；
硬度最高的金属铬(Cr)；
熔点最高的金属___________；
熔点最低的金属___________；
密度最大的金属锇(Os)；
密度最小的金属锂(Li)。
金属之最
铝(Al)
钙(Ca)
铁(Fe)
银(Ag)
钨(W)
汞(Hg)
不同金属的物理性质有差异哦！
常温下，大多数金属为固体，但汞是液体
大多数金属呈银白色，
但铜呈紫红色，金呈黄色
不同金属的导电性、导热性、密度、熔点、硬度等物理性质差别较大
物理特性
颜色不同
状态不同
不同金属物理性质不同
金属特殊物理性质(特性)
了解性质，就可以根据特定用途选择材料了，如果你是一名高铁设计者，请结合刚刚了解到的信息并根据 “资料”，选出作为轨道材料的金属。
资料：
金属市场价格(仅供参考) 生铁 4850元/吨 铂金 948. 85 元/克
铜 68700元/吨 铝 22760元/吨
锌 22670元/吨 锡 277500 元/吨
铅 14325元/吨 镍 143280 元/吨
银 4. 96元/克 铬 66000元/吨
地壳中金属元素的含量(质量分数) 铝 7.73 镁 2.00
铁 4.75 锌 0.008
钙 3.45 铜 0.007
钠 2.74 银 0.00001
钾 2.47 金 0.0000005
可用铁，因为铁价格最便宜，硬度较大，地壳中含量也较多。
可用铁，转弯处也可以用铬，因为铬硬度最大，最耐磨，虽然价格有点高，但质量第一，这样转弯处的轨道就不容易磨坏。
可以用铁，也可以用铬，还可以用铜。铁硬度不是最大，但地壳中含量大，价格便宜，铬硬度最大，铜硬度也较大，还美观。
选择金属材料，不能仅考虑单一因素。
从硬度看，铬、铁硬度较大；
从地壳资源看，铝、铁含量高；
从价格看，铁价格低，铬价格高。
综合多种因素，铁最适合用作轨道材料。
决定和影响金属用途的因素
决定因素
金属的性质
影响因素
价格高低
资源是否丰富
是否美观
使用是否便利
废料是否易于回收
对环境的影响
决定物质用途的因素
(1)为什么铁制锅铲需要加上木柄或塑料柄
铁具有良好的导热性，为了防止被烫伤，家用铁制锅铲上常装有木柄或塑料柄。
想一想
(2)选择铸造硬币的金属材料需要考虑哪些因素？
光泽好、耐磨、耐腐蚀、易加工、储藏量等。
(3)为什么电线用铜丝制作，高压线用铝丝制作，而不用导电性能更好的银丝
电线用铜丝制作的主要原因是铜具有良好的导电性能和导热性能，同时也比较容易加工和成型。铜的导电性能比铝高，因此在低压电路中使用铜线可以减少电阻，提高电路效率。此外，铜的熔点较高，耐腐蚀性能也比较好，可以保证电线的使用寿命；铝的熔点低，通电后会很快熔断，不适合用于日常导线，而高压线在输送电功率相同的前提下，电压高电流低生热少，所以高压线可用密度较小的铝丝。银丝相对密度较大，且造价高，不适合大量使用，但可用于精密仪器的导线。
任务二：选择铁路轨道合金
通过综合考量，我们已选择了铁作为高铁轨道所用材料。那么我们是否可以直接选择使用纯铁呢？
类别 含碳量 机械性能
纯铁 0 质软
生铁 2%~4% 硬而脆、无韧性
钢 0.03%~2% 较硬而韧，有弹性、良好的延展性
从性能角度分析，显然铁和生铁不能用做高铁轨道材料。
生铁和钢实际上是两种含碳量不同的铁合金。
合金是怎样形成的？什么是合金？
资料：工业采用熔合法制合金，将两种或多种金属（或金属与非金属）在同一容器中加热使其熔合，冷凝后得到具有金属特性的熔物．这是制取合金的常用方法之一。
合金的工业制法决定了合金属于混合物！
根据铁和其他三种金属的熔沸点，判断下面四种金属能形成几组合金？有什么规律？
Fe、Cu、Mn、Na的熔点和沸点（℃） Fe Cu Mn Na
熔点 1535 1083 1246 97.5
沸点 3000 2595 2061 883
金属 熔、沸点比较 能否形成合金
Fe 和 Cu 铜的沸点高于铁的熔点 能
Fe 和 Mn 锰的沸点高于铁的熔点 能
Mn 和 Cu 铜的沸点高于锰的熔点 能
Fe、Mn 和 Cu 铜、铁的沸点高于铁的熔点，铜的沸点高于锰的熔点 能
Na 和 Fe、 Mn、Cu 钠的沸点较低，在其他3种金属熔化时，钠已变成气态 钠不能和另外3种金属中任何1 种形成合金
不锈钢(由铁和铬、镍熔合而成)
硬铝(由铝和铜、镁、硅熔合而成)
黄铜(由铜和锌熔合而成)
焊锡(由锡和铅熔合而成)
合金是由一种金属跟其他金属(或非金属)熔合形成的有金属特性的物质。
合金 主要成分 主要性能 主要用途
碳素钢 铁、碳 坚硬 机器零件、建材、铁轨、桥梁、船体
不锈钢 铁、铬、镍 抗腐蚀性好 医疗器械、炊具、容器、反应釜
锰钢 铁、碳、锰 韧性好、硬度大 钢轨、挖掘机铲斗、坦克装甲、自行车架
黄铜 铜、锌 强度高、可塑性好、易加工、耐腐蚀 机械零件、仪表、日用品
青铜 铜、锡 强度高、可塑性好、 耐磨、耐腐蚀 强度高、可塑性好、耐磨、耐腐蚀
焊锡 锡、铅 熔点低 焊接金属
硬铝 铝、铜、镁、硅 强度和硬度好 火箭、飞机、轮船等制造业
武德合金 铋、铅、锡、镉 熔点很低，软 保险丝、防火防爆装置
K金 金、银、铜 光泽好、耐磨、易加工 金饰品、钱币、电子元件
一些合金的主要成分、性能和用途
合金的组成成分及其含量不同，性能都会发生相应改变。
钢有多种类型， 选择哪一种钢作为高铁轨道材料呢？
资料1：哈德菲尔德( 1858- 1940)，英国冶金学家。 他很早就对改进钢的质量问题感兴趣，当时人们的研究结果是锰加入钢中会使钢变脆。1882年，他试着将以往冶金学家认为的含锰量增加，制造出含锰量12%~ 14%的高锰耐磨钢。由普通钢制造的铁轨，每9个月更 换一次，高锰钢铁轨可以连续使用22年。
现在高铁轨道用的是高锰钢和钒钢。
资料2：铁的硬度一般为5- 10HRC（洛氏硬度），铁路轨道使用的高锰钢硬度为52HRC。其实高铁钢轨的选用，除了要考虑强度、耐磨性外，还要考虑抗拉强度，目前时速 200 km/h以上的客运高铁使用的钢轨牌号为U71MnG， 其抗拉强度N 880 MPa，时速200~ 250 km/h客货运高铁使用的钢轨牌号为U75VG（钢中添加了钒元素），其抗拉强度N980MPa。
纯铁是不适合直接用作高铁轨道材料的
合金的硬度比纯金属大。那为什么不用铝合金作为高铁轨道材料？
铝和铝合金、铝合金和高锰钢硬度的比较：将铝和铝合金、铝合金和锰钢相互刻划。
划痕法可以比较金属和合金的硬度
铝 铝合金 铝合金 高锰钢
现象 在铝片上留下刻痕 在铝合金片上留下刻痕 硬度 铝合金硬度比铝大 高锰钢硬度比铝合金大 结论 合金的硬度大于其组分金属，不同合金硬度不同 铝资源虽然丰富，但相对来说铝合金质软，不耐磨，不能作为轨道材料。
合金的硬度比纯金属大。那为什么不用铝合金作为高铁轨道材料？
铝和铝合金、铝合金和高锰钢硬度的比较：将铝和铝合金、铝合金和锰钢相互刻划。
任务三：选择高铁车体合金
不仅轨道，制作高铁车体也需要用到合金，那么，哪种合金适合做高铁车体？主要考虑的因素是什么？
用铝合金，因为质量轻，硬度大，可塑性强，美观。
用铁合金，因为铁合金来源广，硬度大，价格便宜。
用钛合金，密度小，耐腐蚀、容易加工，美观大方。
决定物质用途的因素是多方面的。铁合金来源广，虽然可以做普通火车的车体，但密度相对较大，不适合做高铁的车体。钛合金密度小、强度大，美观，是理想材料，但目前看价格太高，也不适合做车体。 铝合金密度小（质量不是物理性质，描述铝合金不能说质量轻，应该说密度小），耐腐蚀，硬度大，来源广，易加工，易焊接，是高铁车体的理想材料。目前，一个高铁的车厢使用铝合金大约10吨，比全部使用钢材减轻30%~50%。
资料：铜合金广泛应用在高铁传输系统中。铁路的电气化对铜和铜合金的需要量很大，每公里的架空导线需要2吨以上的异形铜线，列车上电机、整流器以及控制、制动、电气和信号系统等都依靠铜和铜合金来工作。
综合考虑，高铁车体材料选择铝合金、 电传输材料选择铜合金。
资料：焊料熔点比被焊接金属低，焊料熔化时， 在被焊接金属不熔化的条件下能润湿被焊金属的表面，并在接触面处形成合金层与被焊金属连接到一起，高铁电子组件中焊料不可或缺。
任务四：高铁电子组件连接需要焊接，焊料又如何选择？
纯金属 合金 铅 镉 铋 锡 焊锡 武德合金
熔点/℃ 327 321 271 232 183 70
启示 合金的熔点低于组成它们的金属的熔点，不同种类合金熔点不同
武德合金可以实现连接，但使用温度不能超过70℃。焊锡是常用焊料，武德合金常用作保险丝。
比较焊锡、武德合金和组分金属熔点：
未来高铁材料
钛合金、形状记忆合金、碳纤维材料.......
钛合金 形状记忆合金 碳纤维材料
未 来 高 铁
更轻
强度更高
更耐用
更便宜
未来高铁材料
高铁
建设
中金
属材
料的
选择
性质
纯金属
合金
光泽、导电、导热、延展
共性
特性
强度高、硬度大、熔点低、耐腐蚀
资源
价格
美观
组成不同、性质不同
决定
利用
高铁
轨道：铁合金
车身：铝合金
电传输：铜合金
电子元件：焊锡
随堂练习
1. 2022北京冬奥会纪念章使用了锌、铜等金属。选择铸造该纪念章的金属时不需要考虑的因素是(　　)
A. 金属的耐磨性
B. 金属的价格
C. 金属的耐腐蚀性
D. 金属的导电性
D
2. 日常生活用品很多是由金属材料制成的。
(1)贴金技艺是中华民族民间传统工艺的瑰宝，能够将黄金锤成极薄的薄片是因为金具有良好的 性。
(2)我国早在商代，就有用铁制造的兵器，现在铁制品更是具有广泛的用途。例如，铁制成炊具是因为其具有良好的 性。
(3)铜是人类最早使用的金属之一，我们现在又将铜制成导线，这是利用了铜的_____ 性；银是导电性最好的金属，但我们通常不用银制作导线，原因是 ________。
延展
导热
导电
成本高
3. 钛和钛合金的抗腐蚀性能非常好，即使把它们放入海水中数年，取出后仍光亮如新。根据钛和钛合金的这一性能，请你推测它们的一个用途：
钛和钛合金的抗腐蚀性能非常好，因此它们常被用于制造海洋工程设备和船舶部件。例如，钛和钛合金可以用于制造海水淡化设备、海洋石油开采设备、海洋热能利用设备等。此外，钛和钛合金还可以用于制造船舶的螺旋桨、舵轮、船体等部件，以提高船舶的耐腐蚀性和使用寿命。
4.下图为本课题“金属材料”的部分内容结构图，请将相关内容补充完整。
延展性
导热性
导电性
由一种金属跟其他金属(或非金属)熔合形成的有金属特性的物质。
铁、铜拉成丝
铁锅用于炒菜
铝丝用作导线
硬度大，铝合金高铁车体
熔点低，武德合金作保险丝
5.为探究黄铜(铜锌合金)和铜性能上的差异，某实验小组进行如下实验。根据实验现象得出的结论是__________________________.
用铜片刻划黄铜片，
黄铜片表面无划痕
用黄铜片刻划铜片，
铜片表面出现划痕
合金的硬度大于其组分金属，