2-2 金属材料 同步作业 《化学（加工制造类）》同步教学 高教版

专题二 化学与材料 第二节 金属材料 同步作业 一、基础题（共70分） （一）选择题（每题3分，共33分） 1. 下列关于金属材料的说法，正确的是（ ） A. 金属材料仅指纯金属，不包括合金 B. 金属材料具有良好的导电性、导热性和延展性 C. 所有金属材料在常温下均为固体，熔点高 D. 金属材料的硬度均高于无机非金属材料，韧性优异 2. 加工制造中常用的碳素钢，其分类依据是（ ） A. 含碳量的高低 B. 含铁量的高低 C. 含硫量的高低 D. 含磷量的高低 3. 下列关于合金的说法，错误的是（ ） A. 合金是由两种或两种以上金属（或金属与非金属）熔合而成 B. 合金的性能通常优于纯金属，如硬度更高、韧性更好 C. 合金的熔点一般低于其成分金属的熔点 D. 合金属于纯净物，具有固定的化学式 4. 下列材料中，不属于黑色金属材料的是（ ） A. 碳素钢 B. 不锈钢 C. 铝合金 D. 铸铁 5. 加工制造中，用于制造汽车发动机曲轴的金属材料是（ ） A. 纯铝 B. 球墨铸铁 C. 纯铜 D. 锌合金 6. 关于不锈钢的说法，正确的是（ ） A. 不锈钢的主要成分是铁和碳，不含其他元素 B. 不锈钢具有耐腐蚀性，是因为表面形成了致密的氧化膜 C. 不锈钢在任何环境中都不会生锈，完全耐腐蚀 D. 不锈钢的硬度低于普通碳素钢，韧性较差 7. 下列关于金属材料性能的说法，错误的是（ ） A. 导电性：银＞铜＞铝＞铁 B. 硬度：合金＞纯金属 C. 熔点：纯金属＞合金 D. 耐腐蚀性：纯铁＞不锈钢 8. 加工制造中，利用铝合金制造飞机零部件的主要原因是（ ） A. 铝合金密度小，强度高 B. 铝合金价格低廉，易于加工 C. 铝合金导电性好，便于散热 D. 铝合金耐高温，不易腐蚀 9. 下列特性中，不属于金属材料共性的是（ ） A. 延展性 B. 导电性 C. 绝缘性 D. 导热性 10. 加工制造中，用于制造电线电缆的金属材料是（ ） A. 铁 B. 铝 C. 铅 D. 锌 11. 下列关于金属材料加工的说法，错误的是（ ） A. 金属材料可通过锻造、冲压等工艺改变形状 B. 热处理可改变金属材料的内部结构，改善性能 C. 纯金属的加工性能通常优于合金，因为合金硬度更高 D. 金属材料的切削加工性与硬度、韧性密切相关 （二）填空题（每空2分，共28分） 1. 金属材料分为______和______两大类，其中______是由一种金属元素组成的材料，______是由两种或两种以上金属（或金属与非金属）熔合而成的材料。 2. 碳素钢按含碳量可分为______（含碳量＜0.25%）、______（含碳量0.25%~0.6%）和______（含碳量＞0.6%），含碳量越高，钢的______越好，但______越差。 3. 不锈钢的主要合金元素是______和______，其耐腐蚀性源于表面形成的______氧化膜。 4. 常见的有色金属材料有______、______、______等，其中______密度小、强度高，广泛用于航空航天领域。 5. 金属材料的主要性能包括______（如导电性、导热性）、______（如硬度、强度）和______（如耐腐蚀性、耐磨性）等。 6. 加工制造中，金属材料的热处理工艺包括______、______、______等，其目的是改善材料的力学性能和加工性能。 （三）判断题（每题1分，共9分，对的打“√”，错的打“×”） 1. 合金的性能由成分金属的性能决定，与各成分的比例无关。（ ） 2. 碳素钢的含碳量越高，硬度越大，韧性越差，越容易锻造加工。（ ） 3. 不锈钢之所以耐腐蚀，是因为其内部不含铁元素，不会发生氧化反应。（ ） 4. 铝合金的密度比纯铝小，强度比纯铝高，是因为合金化改变了其内部结构。（ ） 5. 金属材料的导电性和导热性密切相关，导电性好的金属导热性也一定好。（ ） 6. 加工制造中，铸铁的流动性好，适合铸造形状复杂的零部件。（ ） 7. 热处理工艺通过改变金属材料的化学成分来改善性能，不改变其内部组织结构。（ ） 8. 黑色金属材料包括铁、锰、铬及其合金，其中碳素钢和铸铁是最常用的黑色金属材料。（ ） 9. 金属材料的延展性越好，越适合进行冲压、拉伸等塑性加工工艺。（ ） 二、提升题（共30分） （一）简答题（10分） 1. 加工制造车间需选择材料制造以下部件：① 机床主轴（要求高强度、高硬度、耐磨性好）；② 飞机机翼框架（要求轻质、高强度、耐腐蚀）；③ 家用电线芯（要求导电性好、延展性好、成本低）。请分析：（1）每个部件应选择的金属材料（纯金属或合金）及具体材料；（2）说明选择依据（结合材料的性能特点和部件需求）；（3）简述所选材料的主要成分或合金化原理。 2. 某学生发现，纯铁在潮湿空气中容易生锈，而不锈钢在相同环境中不易生锈；纯铝的硬度较低，而硬铝合金的硬度显著提高。请分析：（1）不锈钢耐腐蚀的原因；（2）硬铝合金硬度提高的原因；（3）合金性能优于纯金属的本质是什么，举例说明合金化对金属性能的影响。 （二）分析题（10分） 1. 分析下列加工制造场景中金属材料选择的合理性，若存在问题请提出改进方案，并说明理由： （1）机械加工中，用纯铜制造机床的切削刀具； （2）汽车零部件生产中，用碳素钢制造汽车车身外壳； （3）电子元件制造中，用铅合金制造芯片散热片。 2. 某机械制造厂生产的碳素钢齿轮，在使用一段时间后出现磨损严重、精度下降的问题。经检测，齿轮的硬度偏低，耐磨性不足。请分析可能的原因（从材料选择、加工工艺、热处理等方面说明）；并提出改进措施，以提高齿轮的硬度和耐磨性，延长使用寿命。 （三）计算题（10分） 1. 某碳素钢样品中含碳量为0.4%（质量分数），其余为铁（假设不含其他杂质）。若取100g该碳素钢样品，计算： （1）铁的质量和物质的量； （2）碳原子与铁原子的物质的量之比； （3）若将该钢样品完全锈蚀（生成Fe₂O₃），生成Fe₂O₃的质量（写出计算过程）。 2. 某铝合金样品中铝的质量分数为90%，其余为镁（假设不含其他杂质）。若制备10kg该铝合金，计算： （1）需要铝和镁的质量； （2）铝和镁的物质的量之比； （3）若该铝合金的密度为2.7g/cm³，10kg该铝合金的体积（写出计算过程）。 3. 某不锈钢样品中铬的质量分数为18%，镍的质量分数为8%，其余为铁（假设不含其他杂质）。若取50g该不锈钢样品，计算： （1）铬、镍、铁的质量； （2）铬的物质的量； （3）若该不锈钢在空气中完全氧化，生成Cr₂O₃和Fe₂O₃（镍不氧化），生成Cr₂O₃的质量（写出计算过程）。 参考答案 一、基础题 （一）选择题 1. B 2. A 3. D 4. C 5. B 6. B 7. D 8. A 9. C 10. B 11. C （二）填空题 1. 纯金属；合金；纯金属；合金 2. 低碳钢；中碳钢；高碳钢；硬度和强度；韧性和塑性 3. 铬（Cr）；镍（Ni）；致密的Cr₂O₃ 4. 铝合金；铜合金；锌合金（其他合理答案也可）；铝合金 5. 物理性能；力学性能；化学性能 6. 退火；正火；淬火（或回火，其他合理答案也可） （三）判断题 1. × 2. × 3. × 4. √ 5. √ 6. √ 7. × 8. √ 9. √ 二、提升题 （一）简答题 1. （1）① 部件选择合金——中碳钢或合金钢（如45号钢、铬钼钢）；② 部件选择合金——硬铝合金（如2A12）；③ 部件选择纯金属——铝或铜。 （2）选择依据：① 机床主轴需高强度、高硬度和耐磨性，中碳钢/合金钢通过热处理可达到要求，适配高速旋转和承受载荷的工作环境；② 飞机机翼框架需轻质（降低能耗）、高强度（承受飞行应力）和耐腐蚀（适应高空环境），硬铝合金密度仅为铁的1/3左右，强度接近碳素钢，且耐腐蚀；③ 电线芯需良好导电性（降低能耗）、延展性（便于加工）和低成本，铝的导电性仅次于铜，价格更低，延展性好，适合大规模铺设；铜导电性更好，但成本较高，适用于高要求场景。 （3）主要成分/合金化原理：① 45号钢含碳量0.45%左右，铬钼钢含铬、钼等合金元素，合金化可提高钢的硬度、强度和耐磨性；② 硬铝合金以铝为基，添加铜、镁、锰等合金元素，通过固溶强化和时效强化提高强度；③ 纯铝（Al）或纯铜（Cu），仅含单一金属元素，保持良好的导电性和延展性。 2. （1）不锈钢耐腐蚀的原因：不锈钢中添加了铬（Cr）、镍（Ni）等合金元素，铬在空气中易氧化形成一层致密的Cr₂O₃氧化膜，覆盖在金属表面，隔绝内部金属与氧气、水等腐蚀介质接触，阻止进一步氧化。 （2）硬铝合金硬度提高的原因：硬铝合金中添加了铜、镁等合金元素，这些元素与铝形成固溶体或金属间化合物（如Al₂CuMg），阻碍了铝原子的自由移动，提高了材料的硬度和强度，即“固溶强化”和“时效强化”作用。 （3）合金性能优于纯金属的本质：合金化改变了金属的内部结构（如形成固溶体、金属间化合物），从而调控性能；举例：① 纯铁硬度低（HB≈80），加入碳形成碳素钢后，硬度显著提高（高碳钢HB≈200）；② 纯铜导电性好但强度低，加入锌形成黄铜后，强度提高，仍保持较好的导电性；③ 纯铝强度低，加入镁、铜形成硬铝合金后，强度可达到纯铝的3~5倍。 （二）分析题 1. （1）不合理；改进方案：将纯铜更换为高速钢或硬质合金；理由：纯铜硬度低（HB≈35）、耐磨性差，无法承受切削加工时的高温和切削力，易磨损；高速钢含钨、钼等合金元素，硬度高、耐磨性好，适合制造切削刀具；硬质合金硬度更高（HRC≥80），切削效率和寿命更优。 （2）不合理；改进方案：将碳素钢更换为冷轧钢板或铝合金；理由：碳素钢密度大（7.85g/cm³），导致车身重量大，能耗高，且耐腐蚀性差，易生锈；冷轧钢板强度高、冲压性能好，表面平整，是汽车车身常用材料；铝合金密度小，可减轻车身重量，提高燃油经济性，且耐腐蚀，适用于高端车型。 （3）不合理；改进方案：将铅合金更换为铝合金或铜合金；理由：铅合金密度大（11.3g/cm³）、导热性差（导热系数仅为铝的1/10），散热效果不佳，且铅有毒，不符合环保要求；铝合金导热性好、密度小、无毒，是电子元件散热片的常用材料；铜合金导热性更好，适用于高功率芯片。 2. （1）磨损严重的原因：① 材料选择：碳素钢含碳量偏低（如低碳钢），硬度和耐磨性不足，适配不了齿轮的高载荷、高摩擦工作环境；② 加工工艺：齿轮加工时表面粗糙度较高，未进行精磨，增大了摩擦系数；③ 热处理：未进行淬火+回火处理，或热处理工艺不当（如淬火温度过低、回火温度过高），导致齿轮硬度未达到要求（应≥HRC55）。 （2）改进措施：① 材料调整：选用中碳钢（如45号钢）或合金钢（如20CrMnTi），提高材料的基础硬度和耐磨性；② 加工优化：齿轮加工后进行精磨处理，降低表面粗糙度（Ra≤0.8μm），减少摩擦磨损；③ 热处理强化：采用“淬火+低温回火”工艺，淬火温度840~860℃，回火温度150~200℃，使齿轮获得高硬度（HRC58~62）和良好的耐磨性；④ 表面处理：对齿轮进行渗碳、氮化处理，进一步提高表面硬度和耐磨性，同时保持心部韧性。 （三）计算题 1. 解：（1）铁的质量=100g×(1-0.4%)=99.6g；铁的摩尔质量=56g/mol，物质的量=99.6g÷56g/mol≈1.779mol。 （2）碳的质量=100g×0.4%=0.4g；碳的摩尔质量=12g/mol，物质的量=0.4g÷12g/mol≈0.033mol；碳原子与铁原子的物质的量之比=0.033mol:1.779mol≈1:54。 （3）由Fe~Fe₂O₃可知，2mol Fe生成1mol Fe₂O₃，生成Fe₂O₃的物质的量=1.779mol÷2≈0.8895mol；Fe₂O₃的摩尔质量=160g/mol，质量=0.8895mol×160g/mol≈142.3g。 答：（1）铁质量99.6g，物质的量≈1.779mol；（2）≈1:54；（3）≈142.3g。 2. 解：（1）铝的质量=10kg×90%=9kg；镁的质量=10kg×10%=1kg。 （2）铝的摩尔质量=27g/mol，物质的量=9000g÷27g/mol≈333.33mol；镁的摩尔质量=24g/mol，物质的量=1000g÷24g/mol≈41.67mol；铝和镁的物质的量之比=333.33mol:41.67mol≈8:1。 （3）体积=质量÷密度=10000g÷2.7g/cm³≈3703.7cm³（或3.70L）。 答：（1）铝9kg，镁1kg；（2）≈8:1；（3）≈3703.7cm³。 3. 解：（1）铬的质量=50g×18%=9g；镍的质量=50g×8%=4g；铁的质量=50g-9g-4g=37g。 （2）铬的摩尔质量=52g/mol，物质的量=9g÷52g/mol≈0.173mol。 （3）由2Cr~Cr₂O₃可知，2mol Cr生成1mol Cr₂O₃，生成Cr₂O₃的物质的量=0.173mol÷2≈0.0865mol；Cr₂O₃的摩尔质量=152g/mol，质量=0.0865mol×152g/mol≈13.15g。 答：（1）铬9g，镍4g，铁37g；（2）≈0.173mol；（3）≈13.15g。 学科网（北京）股份有限公司 $