(共39张PPT)
人类使用材料的历史
石器时代
青铜器时代
铁器时代
金属使用的早晚与金属活动性关系
年代
商朝司母戊鼎
春秋时期的铁锄和铁器
现代用电解法冶炼铝
人类历史上大量生产和使用铝、铁、钛、
铜四种金属的时间顺序是(
)
A.
铜、铁、铝、钛
B.
铁、铝、铜、钛
C.
铜、铁、钛、铝
D.
铁、铜、铝、钛
A
【课堂练习】
第二次世界大战后,各国致力于恢复经济、发展工农业生产,对于材料提出质量小、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分地代替了金属材料,合成纤维、合成橡胶、涂料和胶黏剂等都得到相应的发展和应用。合成高分子材料的问世是材料发展中的重大突破,从此,以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体,建立了完整的材料体系,形成了材料科学。
图
3-22
合金的广泛应用
在生产和生活中,金属材料几乎无处不在。金属材料的应用曾经有力地推动了社会生产力的发展。新型材料的研制,已经成为现代高新技术发展的重要物质基础。
金属材料包括纯金属和它们的合金。合金的种类和性能与成分有关,因为各种成分是可以调节的,所以合金种类繁多,应用极其广泛。在生产和生活中一般使用合金,较少使用纯金属。
一、常见合金的重要应用
用途广泛的金属材料
第三章
金属及其化合物
3
学与问
1.
初中曾学过有关合金的一些知识,你还记得什么是合金吗?合金有哪些优良的性能?
答:合金是在金属加热融合某些金属或非金属制得的具有金属特征的金属材料。
不同的合金具有不同的性能,主要表现在机械强度、韧性、硬度、可塑性、耐腐蚀性等方面。
合金:两种或两种以上的金属或金属和非金属融合而成的具有一定金属特性的物质。
合金具有许多优良的物理、化学或机械性能,在许多方面不同于各成分金属。例如,合金的硬度可以大于它的纯金属成分,合金的熔点也可以低于它的成分金属。使用不同的原料,改变原料的配比,变更制造合金的工艺等,可以制得具有不同性能的合金,从而可以满足生产及科研工作中的不同用途和要求。
【课堂练习】
下列选项哪个正确?(
)
A.
纯铝的硬度大于铝合金的硬度
B.
纯铜的熔点小于青铜的熔点
C.
Na(沸点883℃)可与Fe(熔点1535℃)
形成合金
D.
密度较小的铝合金可用于制飞机外壳
D
1.
铜合金
青铜是我国使用最早的合金。1939年在河南安阳殷墟出土的商代后期制作的司母戊鼎,含铜84.8%、锡11.6%、铅2.8%,属于青铜制品。它的工艺精湛,充分体现了我国光辉灿烂的古代科技。铜合金的种类很多,除青铜外,常见的还有黄铜(含锌及少量的锡、铅、铝等)和白铜(含镍、锌及少量的锰)等。
图
3-23
司母戊鼎是青铜制品
种类
成分
性质
用途
青铜
黄铜
白铜
紫铜
铜、锡、铅
铜、锌和少量的锡、铅、铝
铜、镍和
少量锰
纯铜
强度高、硬度大、熔点低、铸造性好、化学性质稳定
强度高、硬度大、化学性质稳定
延展性好、硬度大、化学性质稳定
导电导热性好、塑性好
轴承﹑蜗轮﹑齿轮
阀门、水管、散热器
精密
零件
导线
又称“药金”,与黄金外观相似
【思考】俗话说“真金不怕火炼”,你有什么办法鉴别黄金与药金?
答:①
在高温下加热金属,变黑的是药金,不发生变化的是黄金;
②
将两种金属投入稀盐酸中,冒出气泡的是药金,无明显现象的是黄金;
③
将两种金属投入放入CuSO4溶液中,表面有红色金属析出的是药金,无明显现象的是黄金。
2.
钢
钢是用量最大、用途最广的合金,根据其化学成分,可分为两大类:碳素钢和合金钢。分析下表列举的大量事实,是不是能够说明成分金属元素的种类及含量对合金的性能会产生极大的影响?
钢
碳素钢:
铁和碳的合金
合金钢:在碳素钢中加入铬、锰、镍、钼、钴、硅等合金元素
低碳钢:
含碳量低于0.3%
中碳钢:
含碳量为0.3%~0.6%
高碳钢:
含碳量高于0.6%
韧性、焊接性好,但强度低,用于制钢板、钢丝、钢管等
强度高,韧性及加工性好,用于制钢轨、车轮和建材等
硬而脆,热处理后弹性好,用于制机械、弹簧、刀具等
具有各种不同的优良性能,用于制不锈钢及各种特种钢
种类
性质
用途
钨钢、锰钢
锰硅钢
钼钢
钨铬钢
镍铬钢
合金钢
硬度大
金属加工工具、
拖拉机履带和车轴
韧性特别强
弹簧
熔点高
飞机的曲轴
硬度大,韧性强
机床道具和模具
抗腐蚀性强
不锈钢
生铁:含碳量在2%~4.3%的铁合金。质硬而脆,难于加工,可铸而不可锻,用于制造铸件。
3.
铝合金
纯铝硬度较小,不适合制造机器零件。
铝合金密度小、强度高、抗腐蚀性好。
铝合金广泛应用于运输、建筑、轻工、仪表、机械等部门,以及包装和家用器具等方面,是用量第二大金属。
学与问
2.
你知道合金在生活中有哪些用途吗?举出一些例子。
答:不锈钢抗腐蚀性好,用来做医疗器械、炊具等;
硬铝强度和硬度好,用来制门窗,也用来制火箭、飞机、轮船等;
青铜强度好、可塑性好、耐磨、耐腐蚀,用于制机械零件。
金属材料分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色
金属材料通常包括铁、锰、铬以及它们的合金,是应用最广的金属结构材料。除黑色金属以外的其他各种金属及其合金都称为有色金属。有色金属品种繁多,又可分为轻金属、重金属、高熔点金属、稀土金属和贵金属等。金属材料也可分为纯金属和合金。纯金属的强度较低,较少作为结构材料,但也有重要的用途。例如,用纯铜、纯铝制导线,用纯铜制电器部件,用纯的贵金属制关键部位触点等。工业上用的金属材料大多是合金,如由铜和锡组成的青铜,铝、铜、镁和硅组成的硬铝等。合金也可以由金属元素和非金属元素组成,如碳钢主要是由铁和碳组成的合金。工业的发展需要研制具有特殊性能的金属结构材料,因此,新型材料得到迅速的发展。
资料卡片
用途广泛的稀土金属
在金属元素中,有一类性质相似、并在自然界共生在一起的稀土元素,它们是周期表中原子序数从57~71(从镧至镥,称为镧系元素)的15种元素以及钇和钪,共17种元素。它们在科技、生产中有广泛的用途,被誉为新材料的宝库。
由于稀土金属元素的物理性质和化学性质都极为相似,它们在矿石中总是共生在一起,冶炼工艺冗长而复杂。不仅分离流程长,能耗高,产生的污染物也多。一般包含矿石浮选、精矿分解(酸式或碱式)以及分离(常用液相萃取法)等几个步骤。高效萃取剂的合成和自动化技术在分离工序中的应用,促进了稀土金属、稀土氧化物及其盐类的生产。
科学视野
科学视野
用途广泛的稀土金属
稀土金属有着广泛的用途,它既可以单独使用,也可以用于生产合金。在合金中加入适量稀土金属,能大大改善合金的性能。因而,稀土元素又被称为冶金工业的维生素。例如,在钢中加入一些稀土元素,可以增加钢的塑性、韧性、耐磨性、耐热性、抗氧化性和抗腐蚀性等。因此,稀土金属广泛应用在冶金、石油化工、材料工业(电子材料、荧光材料、发光材料、永磁材料、超导材料、染色材料、纳米材料、引火合金和催化剂等)、医药及农业等领域。
我国是稀土资源大国。到目前为止,我国的稀土储量、稀土产量、稀土用量和稀土出口量均居世界第一位。但是,经过近几十年的开采和出口,我国的稀土资源消耗过快的问题突出,资源优势大幅减弱。近年来,如何合理利用和保护我国的稀土资源,实现可持续发展战略,正日益引起政府和社会各界的关注。
4.
新型合金
(1)轻质合金
锂铝合金:高比强度、高比刚度、密度小。
(2)储氢合金
能吸收和释放氢气的合金,用于解决环境污染问题。
(3)形状记忆合金
具有高弹性、高强度等特点,在较低温度下受力发生塑性形变后,经过加热,又可恢复受热前的形状。
任选你感兴趣的关于合金的课题进行调查(以下课题供选用),完成一篇关于合金的小论文。
1.
合金的性能与成分有什么关系?改变某种合金的成分,如增加或减少某一种合金元素的含量,合金的性能会不会改变?
2.
调查某种合金所具有的广泛用途,如铝合金、铁合金或铜合金等。
3.
你经常使用的交通工具是什么(如自行车、汽车或火车)?其中使用了哪些纯金属?使用了哪些合金?
实践活动
二、正确选用金属材料
用途广泛的金属材料
第三章
金属及其化合物
3
如何选用材料
某家庭准备装修窗户(计划使用10年),可供使用的材料有:木材、钢铁、铝合金、塑钢,请你调查每种材料的性能、价格、制造或安装成本、利弊等,进行综合分析、比较,试着提出一个你认为切实可行的选择方案。
思考与交流
选择材料时,常常要考虑以下几个方面:
主要用途
外观
物理性质(密度、硬度、强度、导电性、导热性)
化学性质(对水的作用、耐腐蚀性)
价格
加工难度
日常维护
对环境的影响
……
提
示
?
铝合金窗
塑钢窗
木窗
塑钢型材是指用于制作门窗用的PVC型材,早在20世纪五十年代末已经在德国出现,我国从1983年才开始引进,在20世纪90年代末才开始普及应用。
因为单纯用PVC型材加工的门窗强度不够,通常在型腔内添加钢材以增强门窗的牢固性,因此型材内部添加钢材制作的塑料门窗通常被称为塑钢门窗。随着塑钢门窗的广泛使用,用于制作塑钢门窗的PVC型材习惯上被称作塑钢型材。塑钢也作为护栏的常用材质。
随着塑钢型材的广泛使用,一些缺点也随之暴露出来。我国塑钢型材绝大部分劣质型材使用铅盐稳定剂,成品含铅量在0.6%-1.2%之间。铅是一种对人体有害的物质,当劣质型材老化时,会析出含铅粉尘,长期接触后会使血液中铅含量超标,甚至铅中毒。引进的钙锌以及有机锡配方解决了产品含铅的问题,不过由于价格原因和技术的不成熟,没有得到大规模应用。
铝合金密度低,但强度比较高,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,工业上广泛使用,使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。硬铝合金属AI—Cu—Mg系,一般含有少量的Mn,可热处理强化.其特点是硬度大,但塑性较差。超硬铝属Al—Cu—Mg—Zn系,可热处理强化,是室温下强度最高的铝合金,但耐腐蚀性差,高温软化快。锻铝合金主要是Al—Zn—Mg—Si系合金,虽然加入元素种类多,但是含量少,因而具有优良的热塑性,适宜锻造,故又称锻造铝合金。
材料
性能
价格
制造安装成本
木材
一般
适中
较高
钢铁
耐用、牢固
适中
适中
铝合金
质轻高强、
美观、耐腐蚀
适中
适中
塑钢
保温隔热、隔音降噪
较高
较高
角色扮演:是否应该停止使用铝质饮料罐
假如你是以下人员之一,对这一问题有什么看法?请查阅资料并准备,然后选择角色,进行活动。
可能扮演的角色:
开采铝矿的工人
生产铝质饮料罐的工人
饮料公司的老板
售货员
消费者
环保局的官员
回收公司的人员
……
实践活动
考虑时可能涉及的部分因素:
铝的性质适宜制造饮料罐
铝矿的储量较丰富
铝废弃后会产生环境污染
使用铝质饮料罐很方便
开采铝矿会对环境造成破坏
可以用玻璃瓶代替铝质饮料罐
我需要工作
可以循环使用铝质饮料罐
……
实践活动
开采铝矿的工人:
停止使用铝罐会降低市场上对铝矿石的需求,导致铝矿石价格降低,导致铝矿行业裁员或工作人员工资降低。我们失去工作或工资降低导致社会整体幸福感降低。
我们反对停止使用铝罐。
生产铝质饮料罐的工人:
停止使用铝罐会导致我们立即失业,我们为了谋生要么从事其他低端行业,要么花费一定的时间,通过培训掌握一项新技能,找到一份新工作。这给我们带来了极大的麻烦,我们当中没有找到新工作的人会成为社会的负担和隐患。
我们强烈反对停止使用铝罐。
饮料公司老板:
要停止使用铝罐,我就得用其他材料代替铝罐。我可以用玻璃、塑料、纸代替铝。其中铝和玻璃一般用于高端产品,塑料和纸一般用于低端产品;塑料和铝的使用较方便,玻璃和纸较不方便;塑料和纸的成本较低,玻璃和铝的成本较高。
我不想放弃使用铝做饮料罐,我不支持停止使用铝罐。
售货员:
停止使用铝罐会减少我们商店的产品种类,降低我们商店对顾客的吸引力,可能会导致我们的营收减少。
我们不支持停止使用铝罐。
消费者:
使用铝罐方便、时尚,我爱铝罐。同时我又是社会中最广大的成员,铝罐丢弃后会造成环境污染,而这污染的结果由我来承受。
我不知道应该支持还是反对停止使用铝罐。
环保局的官员:
停止使用铝罐可以减少矿石开采量,减少炼铝过程中的能源消耗、环境污染,减少铝的废弃量。这对保护环境十分有利。
同时停止使用铝罐会导致市场对塑料罐的需求上升,可能会增加白色污染。
经过权衡,我认为停止使用铝罐总体上会导致环境变好,我支持停止使用铝罐。
回收公司的人员:
据估算,回收一个铝制饮料罐比制造一个新饮料罐节省20%,而且还可以节约金属资源和95%的能源。为了减少废弃铝罐对环境的污染、节约生产铝时能源、资源消耗,我们建议回收铝罐。为了能
尽量回收铝罐,我们
建议加强垃圾分类思
想宣传。
为了防止我们收
入降低,我们反对停
止使用铝罐。
图
3-24
铝质饮料罐可回收利用
听证会共识:
使用铝质饮料罐有利有弊,但回收铝质饮料罐是目前扬长避短的最有效也是最急迫的做法。环境保护是全社会的共识,投身环保,不只是你我的责任。