3.2.1金属材料 课件-2026-2027学年高一上学期化学人教版必修第一册

第三章 铁 金属材料 第二节 金属材料 课时1 铁合金 新型合金 学习目标 1.了解合金的概念，并能联系纯金属与合金的微观结构解释二者性能的差异 2.以铁合金为例，能从元素组成上对合金进行分类，并认识不同类型金属材料组成、性能与应用的联系，强化性能决定用途的观念 3.了解新型合金。 【材料的分类】 材料 金属材料 非金属材料 复合材料 无机非金属材料 有机非金属材料 金属单质（纯金属） 合金 多功能军工刀 高压钠灯 铜导线 铁锅 不锈钢锅 钛合金羽毛球拍 镍合金门锁 铂合金首饰 钠钾合金 人们在生活和生产中使用的金属材料多为合金，它是由金属单质（纯金属）加工获得的。 任务一 认识合金 1.金属材料 包括纯金属和它们的合金。 2.合金 是由两种或两种以上的金属或金属与非金属熔合而成的具有金属特性的物质。 合金中至少含有一种金属单质，合金可以由金属与金属熔合而成，也可以由金属与非金属熔合而成。 物理变化，合金中各成分保持各自原有的化学性质。 并非所有的金属都能形成合金，两种金属形成合金，其前提是两种金属在同一温度范围内都能熔化，若一种金属的熔点高于另一金属的沸点，则二者不能形成合金。 指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。 注：合金是混合物而不是纯净物，合金至少含有一种金属，可能含有非金属 任务一 认识合金 3、合金形成条件： ①一种金属的熔点不能高于另一种金属的沸点。 ②融合时，可以是金属和金属熔合，也可以是金属和不太活泼的非金属 之间熔合。 【练习】根据下表中四种金属的熔点、沸点： 其中不能形成合金的是_________ ①Cu与Na ②Fe与Cu ③Fe与Na ④Al与Na ①③ 4.合金的性能 合金具有许多优良的物理、化学或机械性能。如合金的硬度、熔点不同于其成分金属。 ①具有金属通性 ④硬度大于各成分金属 ③熔点低于各成分金属 合金的物理性质通常不同于它的成分金属！ 合金的化学性质通常相同于它的成分金属！ ②导电性和导热性低于各成分金属 ⑤其抗腐蚀能力一般强于组成它们的金属 合金不一定是固态，如原子反应堆导热剂的钠钾合金，常温下为液态。 任务1：请同学们分组讨论，生活中用到的金属材料是纯金属较多还是合金较多？ （合金多）为什么？ 说一说合金硬度变大的原因？ 铝合金 在纯金属内加入其他元素形成合金以后，结构发生了变化，使合金的性能与纯金属有很大的差异。如硬铝（一种铝合金）中含Cu 4%、Mg 0.5%、Mn 0.5%、Si 0.7%，它密度小、强度高，具有较强的抗腐蚀能力，是制造飞机和宇宙飞船的理想材料。 常见的一些合金的硬度比其成分金属的大 纯铝，强度不够，为了确保飞机的机身材质能够抵抗得住高速飞行时的阻力压强， 又要兼顾减轻机体重量，所以选用了高强度的铝合金。 5.硬度大于各成分金属原因 1.纯金属内，所有原子的大小和形状都是相同的，原子的排列十分规整；纯金属形成合金后，改变了金属原子有规则的层状排列， 2.原子之间吸引力减弱，使原子层之间的相对滑动变得困难，导致合金的熔点更低、硬度更大。 资料卡片 铁是人体中必需的微量量元素中含量最高的一个，中国营养学会建议成人每天铁摄入量为10-20mg。 铁锅遇到酸性食物，产生的Fe2+并进一步氧化成Fe3+，可以增加食物中的含铁量，对补铁有微小的作用。 纯铁：质地较软，易生锈 思考：如何增大它的硬度和耐腐蚀性呢？ 任务二 铁合金 用生铁铸造的下水井盖及管件 不锈钢餐具 任务二 铁合金 铁合金 生铁 钢 含碳量 2%～4.3% 0.03%～2% 主要特性 硬度大，抗压，性脆，可以铸造成型 主要用途 制造机座、管道等 有良好的延展性，机械性能好，可以锻轧和铸造 制造机械和交通工具等 钢是用量最大、用途最广的合金 1.铁碳合金 生铁和钢是含碳量不同两种铁碳合金，主要由碳元素和铁元素，以及少量其他元素融合而成的合金. 2.钢是用量最大、用途最广的合金 钢 碳素钢 合金钢 （特种钢） 化学成分 含碳量不同 低碳钢 含碳量低于0.25% 中碳钢 含碳量为0.25%~0.6% 高碳钢 含碳量高于0.6% 韧性、焊接性好，但强度低，用于制造钢板、钢丝和钢管等。 强度高，韧性及加工性好， 用于制造钢轨、车轮和建材等 硬而脆，热处理后弹性好， 用于制造器械、弹簧和刀具等 3.合金钢（特种钢） 在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化，从而使钢具有各种特殊性能，如强度、硬度大，可塑性、韧性好，耐磨，耐腐蚀等。 名称 主要合金元素 主要特性 主要用途 不锈钢 铬、镍 比较稳定，不易生锈，具有很强的抗腐蚀能力 医疗器材、厨房用具和餐具、地铁列车的车体材质等 超级钢 Mn、C、Al、V 强度很大，能够实现钢板的轻薄化 汽车、航空和航天等领域 锰钢 锰 韧性好，硬度大 钢轨、轴承、钢模、挖掘机铲斗、坦克装甲 硅钢 硅 导磁性好 变压器、发电机和电动机中的铁芯 钨钢 钨 耐高温、硬度大 刀具 任务3：请同学们思考与讨论： 在碳素钢中，由于含碳量不同，高碳钢、中碳钢和低碳钢的性能有很大差异；向碳素钢中加入不同的合金元素，可制得不同性能的合金钢。这对你有什么启示？ 思考与讨论 钢：①含碳量越低，韧性越好， 硬度越低； ②含碳量越高，韧性越差， 硬度越高。 启示： 1、合金元素不同，其性能不同 2、结构决定性能，性能决定其用途 3、合金的性能可以通过所添加的合金元素的种类、含量和生成合金的条件等来加以调节。 铝合金如何托起航天之翼 —铝和铝合金的应用 15 北京时间2025年10月31日23时44分，搭载神舟二十一号载人飞船的长征二号F遥二十一运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，约10分钟后，飞船与火箭成功分离，进入预定轨道，航天员乘组状态良好，发射取得圆满成功。 我国下一步目标已瞄准2030年前的载人登月，全新的“梦舟”飞船与“揽月”着陆器等系统正在全力研制，探索步伐正从近地轨道迈向月球深空。 航天科技的进步,离不开材料的发展，今天我们一起来学习金属材料在航天领域的应用。 任务一 为长征二号F遥二十一运载火箭选取外壳材料 思考1：从材料的选择角度，同学们认为火箭的外壳材料 应具备什么样的性质？ 轻，减少重量； 硬，防止变形； 耐高温 火箭是航天飞行的运输工具。从材料的选择来说,做火箭的外壳材料应具备什么样的性质? 一要轻，减轻成本；二要硬，防止变形；三要耐高温。 金属 密度 g/cm3 金属 密度 g/cm3 钾 0.87 钛 4.55 钠 0.97 铬 7.20 钙 1.55 锰 7.30 镁 1.74 铁 7.86 铝 2.69 铜 8.90 任务一 为长征二号F遥二十一运载火箭选取外壳材料 火箭是航天飞行的运输工具。从材料的选择来说,做火箭的外壳材料应具备什么样的性质? 一要轻，减轻成本；二要硬，防止变形；三要耐高温。 思考2：从纯铝的物理性质来看，同学们认为用纯铝做火箭外壳是否可行？ 物理性质 1) 银白色金属光泽，密度较小 (2.69g/cm3)； 4) 有良好的延展性； 3) 热的良导体； 2) 导电性好，仅次于银、铜； 任务一 为长征二号F遥二十一运载火箭选取外壳材料 5) 质软。 √ × √ √ √ 易失去3个电子 还原性 化学性质 1. 结构：铝的原子结构示意图为 2. 铝与氧气的反应 ① 常温：铝与空气中的氧气反应，表面生成一层致密的氧化铝薄膜，对内部金属起着保护作用 ② 点燃：铝在氧气中点燃，发出耀眼的白光，放出大量的热。 4Al + 3O2 = 2Al2O3 4Al + 3O2 = 2Al2O3 点燃 任务一 为长征二号F遥二十一运载火箭选取外壳材料 课堂思考 请你思考！ 铝的化学性质比较活泼，为什么我们通常看见 铁生锈而没有看到铝生锈？ 铝被氧化后在表明生成一层致密的氧化铝(Al2O3)，阻止铝继续被氧化，因此铝具有良好的抗腐蚀性。而铁被氧化后，在表面形成疏松多孔的铁锈，能吸收水分和二氧化碳以及氧气，加速内部铁的持续氧化。 思考3：从材料优化角度，如何使铝变成性能优异的外壳材料呢? 思考3：从材料优化角度，如何使铝变成性能优异的外壳材料呢? 硬铝 硬铝（一种铝合金）中含Cu 4%、Mg 0.5%、 Mn 0.5%、Si 0.7% 密度小、强度高，具有较强的腐蚀能力，是飞船制造的理想材料。 返回舱在返回地球的过程中产生高于1600℃的温度,当到达地面后返回舱仍能保持完整外形，这是因为返回舱身上披了一件神奇的“外衣”，这层外衣由铝箔制造的蜂窝板表面包覆防热烧蚀层、隔热垫等材料组成。 实验探究1 实验：在两支试管中分别加入少量的盐酸溶液，然后向其中一支试管①中放入一小块蛋挞底托（铝箔），向另一支试管②中放入用砂纸仔细打磨过（除去表面的氧化膜）的一小块铝箔。观察现象。过一段时间后，将点燃的木条分别放在两支试管口。你观察到什么现象？ 铝、氧化铝与酸反应 金属铝和氧化铝均可与酸发生反应，氧化膜能延缓内部铝与酸的反应。 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑ Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O 试管②中立即产生气泡； 试管①中一开始无气泡产生， 一段时间后，铝箔逐渐溶解，有气泡冒出； 将点燃的木条放在试管口，都有爆鸣声。 【实验现象】 【结论】 【实验现象】 【结论】 Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4] 金属铝和氧化铝均可与强碱溶液反应，氧化膜能延缓内部铝与强碱的反应。 （四羟基合铝酸钠） 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ 试管②中立即产生气泡； 试管①中一开始无气泡产生， 一段时间后，铝箔逐渐溶解，有气泡冒出； 将点燃的木条放在试管口，都有爆鸣声。 实验探究2 铝、氧化铝与碱反应 Al2O3是两性氧化物，既能与酸反应，又能与碱反应。 Al2O3 + 6H+ = 2Al3+ + 3H2O Al2O3 + 2OH- + 3H2O = 2[Al(OH)4]- 2Al + 2OH- + 6H2O = 2[Al(OH)4]- + 3H2↑ Al，既能与酸反应，又能与碱反应。 生活小tip：铝制餐具不易用来蒸煮或长时间存放酸性或碱性食品。 （四羟基合铝酸根） Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4] 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Al(OH)3是两性氢氧化物，既能与酸反应，又能与碱反应。 储氢合金 钛合金 耐热合金 近年来，为满足某些尖端技术发展的需要，人们又设计和合成了许多新型合金。 例如： 任务三 新型合金 形 状 记 忆 合 金 1、储氢合金 储氢合金 （1）定义： 储氢合金是一类能够大量吸收H2， 并与H2结合成金属氢化物的材料。 （2）要求： 具有实用价值的储氢合金要求储氢量大，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸、放氢的速率快，如Ti-Fe合金和La-Ni合金等。 ①解决了以往用钢瓶储存和运输过程中的不方便和不安全的问题。 （3）意义 ②为氢气作为能源的实际应用起到了重要的推动作用。 任务三 新型合金 2.钛合金 用途: 飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船等尖端领域。 密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温 钛的外形很像钢铁，但远比钢铁坚硬，而重量只有同样大小的钢铁的一半。安然无恙的“躺”在各种强酸、强碱中；连比较凶猛的酸—王水，也不能腐蚀它。 3.耐热合金 耐热合金又称高温合金，是在高温使用环境条件下，具有组织稳定和优良力学、物理、化学性能的合金。包括耐热钢、耐热铝合金、耐热钛合金、高温合金、难熔合金等。耐热合金在高温下具有一定拉伸、蠕变、疲劳性能、物理、化学性能和工艺性能。 4.形状记忆合金 这种合金制成预先确定的形状，再经定型处理后，若受外力变形，只要稍微加热便可恢复原来的面貌。 组成：镍（Ni）-钛(Ti) 形变条件：温度 性能：形变后遇高温（或低温）恢复形状。 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，他们是元素周期表中原子序数从57~71（从镧至镥，称为镧系元素）的15种元素以及钪和钇，共17种元素。稀土元素在科技、生产中有广泛的用途，被誉为新材料的宝库。 稀土金属既可单独使用，也可用于生产合金。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，在钢中加入稀土元素，可以增加钢的塑性、韧性、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性和抗氧化性等。 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。我国化学家徐光宪院士与其研究团队在稀土元素的分离及应用中做出了重要贡献。 随着稀土资源的不断开采，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，已经引起政府和社会各界的关注。 5.用途广泛的稀土金属 稀土元素镝（Dy）常 用于制造硬盘驱动器 稀土金属(冶金工业的维生素) 范围：元素周期表中原子序数从51～71（镧系元素）和钪、钇，共17种元素。 合金 铁合金 新型合金 概念 性能 种类：生铁、钢 结构 碳素钢 合金钢(特种钢) 低碳钢：ω(c)<0.25% 中碳钢：0.25%<ω(c)<0.6% 高碳钢：ω(c)>0.6% 储氢合金 钛合金 记忆合金 耐热合金 合金 课堂小结 Lavf59.27.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.20.100 $