資源簡介

(共44張PPT)
滬教版
課時1 金屬材料
（高鐵建設中金屬材料的選擇）
九年級上冊
1.能夠描述金屬的主要物理性質,會用物理特性區別不同的金屬，并能將金屬的性質與其用途聯系起來。
2.能夠實驗驗證純金屬與合金的性質差異，形成元素組成不同合金性質也不同的觀念，且能舉例說明合金在生產生活中的應用。
3.能夠利用多種數據或實驗證據，綜合多種因素分析具體任務中金屬材料的選擇，進一步領會化學對生產生活的重要價值。
學習目標
重難點
重點
高鐵與鐵軌
高鐵建設過程中，如何選擇金屬材料？
任務一：選擇鐵路軌道金屬
問題：作為軌道建設的金屬有哪些要求？如何選擇金屬？
金屬的用途是由其性質所決定的。選擇金屬需要先了解金屬的物理性質。
不易變形
能承受巨大壓力
耐磨韌性好
不易腐蝕
···
銅(Cu)
金(Au)
鐵(Fe)
銀(Ag)
有金屬光澤。
鐵
鐵粉
有些金屬粉末細小到一定程度時，吸收可見光后輻射不出去，所以金屬粉末一般呈暗灰色或黑色。
銅
銅粉
觀察下列金屬及其制品，它們的外觀有什么共同之處？
金屬能夠導電。
鐵導線
鋁芯線
銅電纜
鐵、鋁、銅可制導線，這反映了金屬的什么性質？
金屬能夠導熱。
鐵鍋、鋁鍋、銅火鍋可以用來炒菜、燒水、涮肉，這反映了金屬的什么性質？
金屬有延展性。
鐵、銅、鋁能拉成絲，也能展成薄片，這反映了金屬的什么性質？
金屬一般物理性質(共性)
金屬的物理共性
常溫下，大多數金屬為固體
具有金屬光澤
大多數金屬具有良好的導電性、導熱性、延展性
一些金屬物理性質的比較
物理性質 物理性質比較 導電性（以銀的導 電性為100作標準） 銀 銅 金 鋁 鐵 鋅 鉛
(優) 100 99 74 61 27 17 7.9 (良) 密度/（g·cm-3） 金 鉛 銀 銅 鐵 鋅 鋁
(大) 19.3 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70 (小) 熔點/℃ 鎢 鐵 銅 金 銀 鋁 錫
(高) 3410 1535 1083 1064 962 660 232 (低) 硬度（以金剛石的 硬度為10作標準） 鉻 鐵 銀 銅 金 鋁 鉛
(大) 9 4~5 2.5~4 2.5~3 2.5~3 2~2.9 1.5 (小) 地殼中含量最高的金屬元素___________；
人體中含量最高的金屬元素___________；
目前世界年產量最高的金屬___________；
導電、導熱性最好的金屬___________；
硬度最高的金屬鉻(Cr)；
熔點最高的金屬___________；
熔點最低的金屬___________；
密度最大的金屬鋨(Os)；
密度最小的金屬鋰(Li)。
金屬之最
鋁(Al)
鈣(Ca)
鐵(Fe)
銀(Ag)
鎢(W)
汞(Hg)
不同金屬的物理性質有差異哦！
常溫下，大多數金屬為固體，但汞是液體
大多數金屬呈銀白色，
但銅呈紫紅色，金呈黃色
不同金屬的導電性、導熱性、密度、熔點、硬度等物理性質差別較大
物理特性
顏色不同
狀態不同
不同金屬物理性質不同
金屬特殊物理性質(特性)
了解性質，就可以根據特定用途選擇材料了，如果你是一名高鐵設計者，請結合剛剛了解到的信息并根據 “資料”，選出作為軌道材料的金屬。
資料：
金屬市場價格(僅供參考) 生鐵 4850元/噸 鉑金 948. 85 元/克
銅 68700元/噸 鋁 22760元/噸
鋅 22670元/噸 錫 277500 元/噸
鉛 14325元/噸 鎳 143280 元/噸
銀 4. 96元/克 鉻 66000元/噸
地殼中金屬元素的含量(質量分數) 鋁 7.73 鎂 2.00
鐵 4.75 鋅 0.008
鈣 3.45 銅 0.007
鈉 2.74 銀 0.00001
鉀 2.47 金 0.0000005
可用鐵，因為鐵價格最便宜，硬度較大，地殼中含量也較多。
可用鐵，轉彎處也可以用鉻，因為鉻硬度最大，最耐磨，雖然價格有點高，但質量第一，這樣轉彎處的軌道就不容易磨壞。
可以用鐵，也可以用鉻，還可以用銅。鐵硬度不是最大，但地殼中含量大，價格便宜，鉻硬度最大，銅硬度也較大，還美觀。
選擇金屬材料，不能僅考慮單一因素。
從硬度看，鉻、鐵硬度較大；
從地殼資源看，鋁、鐵含量高；
從價格看，鐵價格低，鉻價格高。
綜合多種因素，鐵最適合用作軌道材料。
決定和影響金屬用途的因素
決定因素
金屬的性質
影響因素
價格高低
資源是否豐富
是否美觀
使用是否便利
廢料是否易于回收
對環境的影響
決定物質用途的因素
(1)為什么鐵制鍋鏟需要加上木柄或塑料柄
鐵具有良好的導熱性，為了防止被燙傷，家用鐵制鍋鏟上常裝有木柄或塑料柄。
想一想
(2)選擇鑄造硬幣的金屬材料需要考慮哪些因素？
光澤好、耐磨、耐腐蝕、易加工、儲藏量等。
(3)為什么電線用銅絲制作，高壓線用鋁絲制作，而不用導電性能更好的銀絲
電線用銅絲制作的主要原因是銅具有良好的導電性能和導熱性能，同時也比較容易加工和成型。銅的導電性能比鋁高，因此在低壓電路中使用銅線可以減少電阻，提高電路效率。此外，銅的熔點較高，耐腐蝕性能也比較好，可以保證電線的使用壽命；鋁的熔點低，通電后會很快熔斷，不適合用于日常導線，而高壓線在輸送電功率相同的前提下，電壓高電流低生熱少，所以高壓線可用密度較小的鋁絲。銀絲相對密度較大，且造價高，不適合大量使用，但可用于精密儀器的導線。
任務二：選擇鐵路軌道合金
通過綜合考量，我們已選擇了鐵作為高鐵軌道所用材料。那么我們是否可以直接選擇使用純鐵呢？
類別 含碳量 機械性能
純鐵 0 質軟
生鐵 2%~4% 硬而脆、無韌性
鋼 0.03%~2% 較硬而韌，有彈性、良好的延展性
從性能角度分析，顯然鐵和生鐵不能用做高鐵軌道材料。
生鐵和鋼實際上是兩種含碳量不同的鐵合金。
合金是怎樣形成的？什么是合金？
資料：工業采用熔合法制合金，將兩種或多種金屬（或金屬與非金屬）在同一容器中加熱使其熔合，冷凝后得到具有金屬特性的熔物．這是制取合金的常用方法之一。
合金的工業制法決定了合金屬于混合物！
根據鐵和其他三種金屬的熔沸點，判斷下面四種金屬能形成幾組合金？有什么規律？
Fe、Cu、Mn、Na的熔點和沸點（℃） Fe Cu Mn Na
熔點 1535 1083 1246 97.5
沸點 3000 2595 2061 883
金屬 熔、沸點比較 能否形成合金
Fe 和 Cu 銅的沸點高于鐵的熔點 能
Fe 和 Mn 錳的沸點高于鐵的熔點 能
Mn 和 Cu 銅的沸點高于錳的熔點 能
Fe、Mn 和 Cu 銅、鐵的沸點高于鐵的熔點，銅的沸點高于錳的熔點 能
Na 和 Fe、 Mn、Cu 鈉的沸點較低，在其他3種金屬熔化時，鈉已變成氣態 鈉不能和另外3種金屬中任何1 種形成合金
不銹鋼(由鐵和鉻、鎳熔合而成)
硬鋁(由鋁和銅、鎂、硅熔合而成)
黃銅(由銅和鋅熔合而成)
焊錫(由錫和鉛熔合而成)
合金是由一種金屬跟其他金屬(或非金屬)熔合形成的有金屬特性的物質。
合金 主要成分 主要性能 主要用途
碳素鋼 鐵、碳 堅硬 機器零件、建材、鐵軌、橋梁、船體
不銹鋼 鐵、鉻、鎳 抗腐蝕性好 醫療器械、炊具、容器、反應釜
錳鋼 鐵、碳、錳 韌性好、硬度大 鋼軌、挖掘機鏟斗、坦克裝甲、自行車架
黃銅 銅、鋅 強度高、可塑性好、易加工、耐腐蝕 機械零件、儀表、日用品
青銅 銅、錫 強度高、可塑性好、 耐磨、耐腐蝕 強度高、可塑性好、耐磨、耐腐蝕
焊錫 錫、鉛 熔點低 焊接金屬
硬鋁 鋁、銅、鎂、硅 強度和硬度好 火箭、飛機、輪船等制造業
武德合金 鉍、鉛、錫、鎘 熔點很低，軟 保險絲、防火防爆裝置
K金 金、銀、銅 光澤好、耐磨、易加工 金飾品、錢幣、電子元件
一些合金的主要成分、性能和用途
合金的組成成分及其含量不同，性能都會發生相應改變。
鋼有多種類型， 選擇哪一種鋼作為高鐵軌道材料呢？
資料1：哈德菲爾德( 1858- 1940)，英國冶金學家。 他很早就對改進鋼的質量問題感興趣，當時人們的研究結果是錳加入鋼中會使鋼變脆。1882年，他試著將以往冶金學家認為的含錳量增加，制造出含錳量12%~ 14%的高錳耐磨鋼。由普通鋼制造的鐵軌，每9個月更 換一次，高錳鋼鐵軌可以連續使用22年。
現在高鐵軌道用的是高錳鋼和釩鋼。
資料2：鐵的硬度一般為5- 10HRC（洛氏硬度），鐵路軌道使用的高錳鋼硬度為52HRC。其實高鐵鋼軌的選用，除了要考慮強度、耐磨性外，還要考慮抗拉強度，目前時速 200 km/h以上的客運高鐵使用的鋼軌牌號為U71MnG， 其抗拉強度N 880 MPa，時速200~ 250 km/h客貨運高鐵使用的鋼軌牌號為U75VG（鋼中添加了釩元素），其抗拉強度N980MPa。
純鐵是不適合直接用作高鐵軌道材料的
合金的硬度比純金屬大。那為什么不用鋁合金作為高鐵軌道材料？
鋁和鋁合金、鋁合金和高錳鋼硬度的比較：將鋁和鋁合金、鋁合金和錳鋼相互刻劃。
劃痕法可以比較金屬和合金的硬度
鋁 鋁合金 鋁合金 高錳鋼
現象 在鋁片上留下刻痕 在鋁合金片上留下刻痕 硬度 鋁合金硬度比鋁大 高錳鋼硬度比鋁合金大 結論 合金的硬度大于其組分金屬，不同合金硬度不同 鋁資源雖然豐富，但相對來說鋁合金質軟，不耐磨，不能作為軌道材料。
合金的硬度比純金屬大。那為什么不用鋁合金作為高鐵軌道材料？
鋁和鋁合金、鋁合金和高錳鋼硬度的比較：將鋁和鋁合金、鋁合金和錳鋼相互刻劃。
任務三：選擇高鐵車體合金
不僅軌道，制作高鐵車體也需要用到合金，那么，哪種合金適合做高鐵車體？主要考慮的因素是什么？
用鋁合金，因為質量輕，硬度大，可塑性強，美觀。
用鐵合金，因為鐵合金來源廣，硬度大，價格便宜。
用鈦合金，密度小，耐腐蝕、容易加工，美觀大方。
決定物質用途的因素是多方面的。鐵合金來源廣，雖然可以做普通火車的車體，但密度相對較大，不適合做高鐵的車體。鈦合金密度小、強度大，美觀，是理想材料，但目前看價格太高，也不適合做車體。 鋁合金密度小（質量不是物理性質，描述鋁合金不能說質量輕，應該說密度小），耐腐蝕，硬度大，來源廣，易加工，易焊接，是高鐵車體的理想材料。目前，一個高鐵的車廂使用鋁合金大約10噸，比全部使用鋼材減輕30%~50%。
資料：銅合金廣泛應用在高鐵傳輸系統中。鐵路的電氣化對銅和銅合金的需要量很大，每公里的架空導線需要2噸以上的異形銅線，列車上電機、整流器以及控制、制動、電氣和信號系統等都依靠銅和銅合金來工作。
綜合考慮，高鐵車體材料選擇鋁合金、 電傳輸材料選擇銅合金。
資料：焊料熔點比被焊接金屬低，焊料熔化時， 在被焊接金屬不熔化的條件下能潤濕被焊金屬的表面，并在接觸面處形成合金層與被焊金屬連接到一起，高鐵電子組件中焊料不可或缺。
任務四：高鐵電子組件連接需要焊接，焊料又如何選擇？
純金屬 合金 鉛 鎘 鉍 錫 焊錫 武德合金
熔點/℃ 327 321 271 232 183 70
啟示 合金的熔點低于組成它們的金屬的熔點，不同種類合金熔點不同
武德合金可以實現連接，但使用溫度不能超過70℃。焊錫是常用焊料，武德合金常用作保險絲。
比較焊錫、武德合金和組分金屬熔點：
未來高鐵材料
鈦合金、形狀記憶合金、碳纖維材料.......
鈦合金 形狀記憶合金 碳纖維材料
未 來 高 鐵
更輕
強度更高
更耐用
更便宜
未來高鐵材料
高鐵
建設
中金
屬材
料的
選擇
性質
純金屬
合金
光澤、導電、導熱、延展
共性
特性
強度高、硬度大、熔點低、耐腐蝕
資源
價格
美觀
組成不同、性質不同
決定
利用
高鐵
軌道：鐵合金
車身：鋁合金
電傳輸：銅合金
電子元件：焊錫
隨堂練習
1. 2022北京冬奧會紀念章使用了鋅、銅等金屬。選擇鑄造該紀念章的金屬時不需要考慮的因素是(　　)
A. 金屬的耐磨性
B. 金屬的價格
C. 金屬的耐腐蝕性
D. 金屬的導電性
D
2. 日常生活用品很多是由金屬材料制成的。
(1)貼金技藝是中華民族民間傳統工藝的瑰寶，能夠將黃金錘成極薄的薄片是因為金具有良好的 性。
(2)我國早在商代，就有用鐵制造的兵器，現在鐵制品更是具有廣泛的用途。例如，鐵制成炊具是因為其具有良好的 性。
(3)銅是人類最早使用的金屬之一，我們現在又將銅制成導線，這是利用了銅的_____ 性；銀是導電性最好的金屬，但我們通常不用銀制作導線，原因是 ________。
延展
導熱
導電
成本高
3. 鈦和鈦合金的抗腐蝕性能非常好，即使把它們放入海水中數年，取出后仍光亮如新。根據鈦和鈦合金的這一性能，請你推測它們的一個用途：
鈦和鈦合金的抗腐蝕性能非常好，因此它們常被用于制造海洋工程設備和船舶部件。例如，鈦和鈦合金可以用于制造海水淡化設備、海洋石油開采設備、海洋熱能利用設備等。此外，鈦和鈦合金還可以用于制造船舶的螺旋槳、舵輪、船體等部件，以提高船舶的耐腐蝕性和使用壽命。
4.下圖為本課題“金屬材料”的部分內容結構圖，請將相關內容補充完整。
延展性
導熱性
導電性
由一種金屬跟其他金屬(或非金屬)熔合形成的有金屬特性的物質。
鐵、銅拉成絲
鐵鍋用于炒菜
鋁絲用作導線
硬度大，鋁合金高鐵車體
熔點低，武德合金作保險絲
5.為探究黃銅(銅鋅合金)和銅性能上的差異，某實驗小組進行如下實驗。根據實驗現象得出的結論是__________________________.
用銅片刻劃黃銅片，
黃銅片表面無劃痕
用黃銅片刻劃銅片，
銅片表面出現劃痕
合金的硬度大于其組分金屬，

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