資源簡介

(共22張PPT)
第二節
金屬材料
第1課時
鐵合金
第三章
01
通過宏觀比較純金屬和合金的性質差異，再通過微觀結構的探析分析產生性質差異的原因。
03
通過對我國刀劍材料發展史的了解，感受化學的學科價值，從現代刀具的元素組成、性質和用途關聯，強化結構決定性質、性質決定用途的觀念。
02
通過對生活中最常見的不同用途的刀具材料選擇的討論，培養從多角度分析問題、辯證看待問題的能力。
學 習 目 標
Fe
教學重點
教學難點
Fe
結構決定性質、性質決定用途的觀念
結構與性質的關系
歷史的榮耀
環節一
組成的優化
環節三
工藝的發展
環節二
未來的展望
環節四
教 學 環 節
環節一：歷史的榮耀
青銅器時代
石器時代
鐵器時代
銅劍始于商朝，一般都加長到五六十厘米。一把青銅劍主要由劍身和劍柄組成，所謂“劍柄”就是劍柄。
石器時代，刀劍材料的發展是石、骨、蚌、竹、木、皮制成戈、矛、斧、鏟等。
西漢以后，鐵制兵器完全取代了青銅兵器。
冷兵器時代
【展示】
青銅：錫+銅（Sn+Cu）合金
黃銅：鋅+銅（Zn+Cu）合金
白銅：鎳+銅（Ni+Cu）合金
紫銅：純銅（Cu）
環節一：歷史的榮耀
青銅文化
合金？
【提問】
環節一：歷史的榮耀
合金
【小結】
定義：
由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。
特點：
1）硬度大；2）熔點低；3）耐腐蝕
注意：
1）合金的熔合是物理變化；
2）合金是混合物，典型的溶液；
3）合金=金屬+金屬，合金=金屬+非金屬；
4）合金也屬于金屬材料，組成合金的部分都是單質；
5）合金具有優良的物理、化學、機械性能。
微觀角度
環節一：歷史的榮耀
【提問】
純金屬
合 金
純金屬內所有的原子的形狀和大小都是相同的，原子的排列十分規整，加入或大或小的其他原子后，改變了原有規則的層狀排列，使得原子層間的相對滑動變得困難，故而合金的硬度變大。
結構
性質
決定
反映
環節一：歷史的榮耀
熔點
武德合金
50%鉍（Bi） 271℃
12.5%錫（Sn）232℃
25%鉛（Pb） 327℃
12.5%鎘（Cd） 321℃
70℃
合金的熔點一般比其成分金屬的熔點低
古代冶金師選擇不同的金屬配比鑄造不同硬度、不同韌性的金屬器滿足不同需求，彰顯了古代冶金師的只會及其精湛的鑄造工藝。于此同時，金屬的發展也帶動了文化的發展......
伍德合金用于制電路保險絲、自動滅火和防爆安全裝置等。
【小結】
環節一：歷史的榮耀
【展示】
九錫禪杖
如意金箍棒
九齒釘耙
降妖寶杖
神話兵器
金屬的文化發展締造了
環節二：工藝的發展
鐵的儲量遠大于銅，為什么青銅器先于鐵器出現呢？
Fe——使用最廣、產量最大
【活動】
春秋后期，人們已能應用生鐵冶鑄出硬而脆的生鐵。
生鐵：生鐵是含碳量大于2%的鐵碳合金，工業生鐵含碳量一般在2.11%-4.3%，并含Si、Mn、S、P等元素，是用鐵礦石經高爐冶煉的產品。生鐵性能為堅硬、耐磨、鑄造性好，但生鐵脆，不能鍛壓。古代冶金師不斷改進工藝，將含碳量降低到0.03%-2%，即為鋼。
環節二：工藝的發展
明李時珍《本草綱目·金石一·鐵》（集解）引鐘明曰：“鐵，今江南、西蜀有爐冶處皆有之。初煉去礦，用以鑄瀉器物者為生鐵。”
明宋應星《天工開物·五金》：“凡鐵分生、熟，出爐未炒則生，既炒則熟……凡造生鐵為冶鑄用者，就此流成長條、圓塊、范內取用。”
熊立博《松子》：“有時一些打好的菜刀不見了，或是生鐵不見了，還不是他們拿去換了錢。”
【小結】
因為鐵的金屬活動性比銅大,鐵在自然界中多以化合態存在,如各種鐵礦石：赤鐵礦、磁鐵礦、菱鐵礦等，而銅則多以游離態存在。故那時冶銅技術更好掌握，而煉鐵的技術比較高,所以青銅早于鐵的應用。
Fe合金
C：2％～4.3％
C：0.03％～2％
生鐵
鋼
硬度大、抗壓、性脆、可鑄造成型，是制機座、管道的材料。
延展性、機械性能好、可鍛軋和鑄造，是制造機械、交通工具的材料。
環節二：工藝的發展
鋼
碳素鋼
合金鋼
低碳鋼
高碳鋼
中碳鋼
（含C：0.03％～0.3％）
（含C ：0.3％～0.6％）
（含C：0.6％～2％ ）
韌性、焊接性好，強度低，制鋼板、鋼絲、鋼管
硬而脆，熱處理后彈性好，制造器械、彈簧、刀具
強度高，韌性加工性好，制造鋼軌、車輪、建材
（特種鋼）
在碳素鋼里加入金屬元素，合金鋼的主要合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、鋁、銅、硼、稀土等。
【展示】
環節二：工藝的發展
合金鋼
鉻Cr
增強耐磨，抗氧化，增強高溫強度
錳Mn
增強加韌，防硫引起的脆性
鉬Mo
增強高溫強度，降脆，提高紅熱硬度和韌性
鎢W
增強高溫強度硬度，增強耐磨性
鈷Co
提高紅熱時的硬度和耐磨性，制造磁性合金
鎳Ni
增強低溫韌性，改變高鉻鋼內部結構
硅Si
提高低合金鋼的強度和硬度，增強抗氧化性
【閱讀】
環節二：工藝的發展
【展示】
不銹鋼
不銹鋼是不銹耐酸鋼的簡稱
不銹鋼雕塑
不銹鋼鋼材
不銹鋼地鐵車體
不銹鋼消毒柜
最常見的一種合金鋼
不銹鋼
按合金元素的含量
低合金鋼（合金元素小于5%）
中合金鋼（合金元素處于5%-10%）
高合金鋼（合金元素大于10%）
按用途
合金結構鋼
合金工具鋼
特殊性能鋼
按合金元素的種類
鉻鋼
錳鋼
鉻錳鋼
鉻鎳鋼
鉻鎳鉬鋼
硅錳鉬釩鋼
【講解】
按組織狀態
馬氏體鋼
鐵素體鋼
奧氏體鋼
奧氏體-鐵素體（雙相）不銹鋼
沉淀硬化不銹鋼
環節三：組成的優化
鐵、碳、其他金屬原子的排列方式不同，決定了不同的性能與用途。
鐵合金的微觀結構
環節三：組成的優化
環節三：組成的優化
現代鐵合金有哪些用途？性能上有什么不同的要求？
建筑應用領域
寬敞的大廳
食品加工、餐飲
公共場所
【小結】
強度、韌性、耐腐蝕、耐磨損
環節四：未來的展望
“中國超級鋼之父”王國棟
“核心技術買不來，必須靠智慧和雙手”
超級鋼
超級鋼是通過各種工藝方法將普通的碳素結構鋼的鐵素體晶粒細化，進而使其強度有大幅度提高的鋼材。超級鋼是改進傳統鋼鐵材料的一些不足，減少材料消耗，降低能耗而研制的新材料 ，其主要目的在于解決傳統鋼鐵材料在強度、壽命上的不足．同傳統鋼鐵材料相比，超級鋼具有高性能、低成本的特點。
超強防彈衣
輕型汽車
航空航天
橋梁建筑
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橋梁建筑
【展示】
環節四：未來的展望
【練習】
1．中國傳統文化中蘊含著許多化學知識，下列說法錯誤的是（ ）
A．“綠蟻新醅酒，紅泥小火爐”，制成火爐的“紅泥”中含氧化鐵
B．“火樹銀花合，星橋鐵鎖開”詩詞中所涉及的焰色試驗，屬于化學變化
C．《淮南萬畢術》中記載，“曾青得鐵則化為銅”，這種濕法煉銅屬于置換反應
D．“古人以劑鋼為刃，柔鐵為莖干，不爾則多斷折”里的“劑鋼”的硬度比純鐵的大
2．《天工開物》中記載：“凡治地生物，用鋤、镈之屬，熟鐵鍛成，熔化生鐵淋口，入水淬健，即成剛勁。每鍬、鋤重一斤者，淋生鐵三錢為率。少則不堅，多則過剛而折。”下列說法錯誤的是（ ）
A．熟鐵是含碳的鐵合金 B．熟鐵的硬度比生鐵低
C．生鐵質地較硬但是韌性較差 D．生鐵的熔點比熟鐵的高
B
D
金屬元素灼燒發生電子躍遷
生鐵含碳量較高，熟鐵含碳量較低，生鐵的熔點比熟鐵的低
環節四：未來的展望
【練習】
3．中國傳統文化中蘊含著許多化學知識，下列說法錯誤的是（ ）
A．“熬膽礬鐵釜，久之亦化為銅”該反應類型為置換反應
B．“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色，來自氧化鐵
C．“司南之杓，投之于地，其柢指南”，司南中“杓”的材質為Fe3O4
D．“凡鐵分生熟，出爐未炒則生，既炒則熟”中的“炒”為氧化除碳過程
4．下列關于合金的說法中，正確的是（ ）
A．在我國最早使用的合金是鋼 B．稀土金屬可以用于生產合金
C．合金的熔點比各成分金屬的高 D．鋼是含碳量高于生鐵的鐵碳合金
B
B
稀土金屬可添加至鎂、鋁、銅等有色金屬中，改善合金的物理、化學性能。
銅合金
低
低
環節四：未來的展望
【練習】
5．2022年北京冬奧會上，我國短道速滑隊所用冰刀材料是特殊的鋼材料。下列說法中正確的是（ ）
A．該合金熔點比純鐵熔點高 B．該合金硬度比純鐵高
C．該合金碳含量比生鐵高 D．該合金含碳量為2%~4.3%
6．2022年10月，世界首個電磁推進地面超高速試驗設施“電磁橇'”在山東濟南成功運行，它可以把超過1噸的物體在短時間內從0加速到1030公里/小時，創造了大質量超高速電磁推進技術的世界最高速度紀錄。
(1)“電磁橇”的軌道材料為鐵合金，其優點是 (寫一條)。
(2)建設“電磁橇”的過程中，對鐵質材料進行深加工時，可用 清洗其表面的鐵銹，該反應的離子方程式為 。
(3)生產“電磁橇”的鐵質材料時，熾熱的鐵水注入模具之前，模具必須進行充分的干燥處理，不能留有水，原因是 (用化學方程式解釋)，該反應的類型屬于 。
B
硬度大
稀鹽酸
氧化還原反應

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