資源簡介

9.3金屬材料的性能及應用
【學習目標】
1.了解常見的金屬材料,認識金屬材料組成、性能與應用的聯系,強化性能決定用途的觀念。
2.能列舉常見合金的組成和性能,能科學、合理地選擇和使用金屬材料,培養學生的科學態度和社會責任感。
【合作探究】
【學習情境】
嫦娥四號探測器成功在月球背面軟著陸,成為人類首次在月球背面軟著陸的探測器。玉兔二號月球車實現了對月球背面的巡視。月球在白天時的地面溫度高達150度,而到了夜晚,溫度又跌落到零下180度!嫦娥四號探測器、玉兔二號月球車均使用了大量合金材料,這些合金材料應具有哪些性質呢
任務1　金屬材料的性能
【新知生成】
金屬材料的力學性能:　　　　　　、　　　　、塑性等。
金屬材料的物理性能:　　　　　　　、熔點、　　　　、　　　　等。
金屬材料的化學性能:　　　　　、耐酸堿性等。
金屬材料的工藝性能:　　　　　　、　　　　、切削加工性等。
【答案】延展性　硬度　密度　導電性　導熱性　抗氧化性　可鑄性　可鍛性
【核心突破】
典例1　我國高鐵、航空航天、手機制造等都已經躋身世界一流水平,根據下列材料回答問題。
應用 “復興號” 高鐵車輪 “鯤龍”水陸兩 棲飛機零部件 華為折疊 手機屏幕
用到的材料 高速鋼 鈦合金、鋁合金 聚酰亞胺塑料
　　(1)上述材料中屬于有機合成材料的是　　　　,屬于金屬材料的是　　　　(寫一種即可)。
(2)飛機外殼用鈦合金、鋁合金的優點是
　　　　　　　　。
(3)在對高鐵鋼軌中的縫隙進行焊接時,常用鋁和氧化鐵在高溫條件下反應生成熔融狀態下的鐵和另一種氧化物。寫出該反應的化學方程式:　　　　　　　　　　　　,基本反應類型是　　　　。
【答案】(1)聚酰亞胺塑料　高速鋼(或鈦合金或鋁合金)　(2)耐腐蝕、輕、硬度大等　(3)2Al+Fe2O32Fe+Al2O3　置換反應
【歸納總結】
金屬材料的性能
1.機械性能
金屬在一定溫度條件下承受外力(載荷)作用時,抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機械性能(也稱為力學性能)。金屬材料的機械性能是零件的設計和選材時的主要依據。常用的機械性能包括:強度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等。
2.化學性能
金屬與其他物質引起化學反應的特性稱為金屬的化學性能。在實際應用中主要考慮金屬的抗蝕性、抗氧化性以及不同金屬之間、金屬與非金屬之間形成的化合物對機械性能的影響等等。
3.物理性能
金屬的物理性能主要考慮:(1)密度;(2)熔點;(3)熱膨脹性;(4)磁性;(5)電學性能。
4.工藝性能
金屬對各種加工工藝方法所表現出來的適應性稱為工藝性能,主要包括:(1)切削加工性能;(2)可鍛性;(3)可鑄性;(4)可焊性。
訓練1　下列關于金屬材料用途的說法中正確的是(　　)。
A.鉛的密度比鐵大,用鉛制作菜刀、錘子會比鐵好
B.銀的導電性比銅好,所以通常用銀制作電線
C.儲氫合金的開發利用是利用氫能的重要環節
D.焊錫和鋁熔點較低,都可用于焊接各種金屬
【答案】C
【解析】鉛是重金屬,有毒,不能用作菜刀,硬度小,不適合制作錘子;銀的導電性雖好但價格高,從資源和價格考慮不用銀制作電線;鋁熔點高,不能用于焊接金屬,A、B、D三項不正確。氫能是最理想的清潔能源,儲存氫氣是利用氫能的重要環節,C項正確。
任務2　合金及其應用
【新知生成】
一、合金的概念
由兩種或兩種以上的金屬與　　　　　　　　(或金屬與　　　　　　　　)熔合而成的具有　　　　特性的物質。
二、合金的特性
1.合金的硬度一般都比組成它的純金屬　　　　　。
2.合金的熔點　　　　　組成它的任何一種組分金屬。
3.合金的導電性和導熱性一般　　　　　　　任一組分金屬。
【答案】金屬　非金屬　金屬　大　低于　低于
【核心突破】
典例2　某合金與鐵的物理性質的比較如表所示:
熔點/℃ 密度/(g·cm-3) 硬度(金剛石為10) 導電性(銀為100)
某合金 2500 3.00 7.4 2.3
鐵 1535 7.86 4.5 17
已知該合金耐腐蝕、強度大。從以上性能看,該合金不適合做(　　)。
A.導線 B.門窗框
C.爐具 D.飛機外殼
【答案】A
【解析】該合金熔點遠高于鐵,因此可用于作爐具;其密度小,質量輕,可用于作飛機外殼;該合金的硬度大于鐵,可作門窗框;鐵的導電性一般,不可用作導線,而此合金的導電性更差,因此不適合作導線。
【歸納總結】
幾種常見合金
不銹鋼:由鐵、鉻、鎳組成,具有抗腐蝕性,用于門窗、炊具、醫療器械、手表等。
碳素鋼:由鐵和碳組成,質地堅硬,用于機器零件、建材、鐵軌、橋梁、船體等。
硬鋁:由鋁、銅、鎂、硅組成,具有質輕、強度好、硬度好等特性,用于火箭、飛機輪船、高壓鍋等。
焊錫:由錫和鉛組成,熔點低,用于焊接金屬。
武德合金:由鉍、鉛、錫、鎘組成,具有熔點低、質軟的特性,用于制作保險絲、防火防爆裝置。
黃銅:由銅和鋅組成,強度好、易加工、耐腐蝕,用于制造機器零件和日用品。
青銅:由銅和錫組成,易加工、耐腐蝕,用于機器零件、齒輪的制造。
K金:由黃金、銀、銅組成,光澤好、易加工、耐磨,一般用作裝飾品、金幣和電子元件。(K表示金的純度,24K:金的純度為99.99%,18K:金的純度為75%)
訓練2　我國“蛟龍”號載人潛水器已成功下潛至海中7062.68米處。“蛟龍”號載人潛水器的外殼是耐超高壓的鈦合金,下面有關合金的說法正確的是(　　)。
A.鈦合金是一種新型金屬單質
B.鈦合金熔點比鈦金屬高
C.鈦合金的硬度與鈦單質相同
D.青銅、合金鋼和硬鋁都是合金
【答案】D
【解析】合金含有兩種或者兩種以上元素,不是單質,A項錯誤;合金熔點一般比其組分中任一金屬的熔點低,B項錯誤;合金硬度一般比其組分中任一金屬的硬度大,C項錯誤;青銅、合金鋼和硬鋁都是合金,D項正確。
【課堂小結】
【隨堂檢測】
1.化學與生產、生活密切相關,下列說法錯誤的是(　　)。
A.“超級鋼”屬于合金
B.合金的熔點比各成分金屬的高
C.儲氫金屬可用于解決氫能儲存和運輸難題
D.不銹鋼在大氣中比較穩定,不容易生銹,有很強的抗腐蝕性能
【答案】B
【解析】鋼為鐵的合金,則“超級鋼”屬于合金,A項正確;合金熔點低,則合金的熔點比各成分金屬的低,B項錯誤;氫氣為氣體,不易儲存和運輸,則儲氫金屬可用于解決氫能儲存和運輸難題,C項正確;不銹鋼是以鐵、鉻為主,再添加如鎳、錳、鉬等元素冶煉而成的合金,從而性能高,在大氣中比較穩定,不容易生銹,有很強的抗腐蝕性能,D項正確。
2.2021年3月1日,東方航空公司與中國商飛公司在上海正式簽署了C919購機合同。東航將成為全球首家運營C919大型客機的航空公司。大飛機C919其主結構材料大量使用了鋁鋰合金,鋁鋰合金的優點是(　　)。
A.高強度、導熱性 B.低密度、高強度
C.低密度、導電性 D.導熱性、導電性
【答案】B
3.鈉鉀合金可在核反應堆中用作熱交換液。取5.05 g 鈉-鉀合金溶于200 mL水生成0.075 mol H2。則該鈉-鉀合金的化學組成為(　　)。
A.NaK B.Na2K C.NaK2 D.NaK3
【答案】C
【解析】鈉鉀和水反應生成氫氣,反應關系分別為2Na~H2、2K~H2,設鈉鉀合金中Na、K的物質的量分別為x mol、y mol,則有x+y=0.075×2、23x+39y=5.05,解得x=0.05、y=0.1;x∶y=1∶2;
4.合金是兩種或兩種以上的金屬(或金屬與非金屬)熔合而成的具有金屬特性的物質。回答下列問題:
(1)下列物質不屬于合金的是　　　　(填字母,下同)。
A.明礬 B.硬鋁 C.生鐵 D.青銅
(2)根據下表中四種金屬的熔、沸點:
金屬 Na Cu Al Fe
熔點/℃ 97.8 1083 660 1535
沸點/℃ 883 2567 2467 2750
其中不能形成合金的是　　　　。
①Cu與Na　②Fe與Cu　③Fe與Na　④Al與Na
A.①② B.①③ C.①④ D.②④
(3)鎂、鋁合金與鹽酸完全反應后,加入過量的氫氧化鈉溶液,最后的結果是　　　　。
A.沒有沉淀物生成
B.只有氫氧化鋁沉淀生成
C.只有氫氧化鎂沉淀生成
D.有氫氧化鋁和氫氧化鎂沉淀生成
【答案】(1)A　(2)B　(3)C
【解析】(2)當一種金屬的熔點超過另一種金屬的沸點時,它們就不可能熔合在一起而形成合金。(3)Mg、Al都與鹽酸反應,Mg(OH)2不溶于NaOH溶液,而Al(OH)3溶于NaOH溶液生成NaAlO2和H2O。
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