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第三章鐵金屬材料
金屬材料
導(dǎo)熱性 延展性 導(dǎo)電性
合金是由兩種或兩種以上的 金屬(或金屬和非金屬) 熔合
而成的具有 金 屬特性的物質(zhì)。
1、大多數(shù)金屬為銀白色(銅：紫紅色，金：黃色)固體(汞：液體)。
2、有金屬光澤。
3、具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。
金屬材料：包括純金屬和合金
Cu
實(shí)際生活中卻使用的最多的是合金，很少使用純金屬。
純金屬材料
Pt
因?yàn)殍F的表面常常生銹，蓋著一層黑色的四氧化三鐵 與棕褐色的氧化鐵的混合物，看去就是黑色的。所以人們 稱之為“黑色金屬”。又因?yàn)樽畛Ｒ姷暮辖痄撌清i鋼與鉻 鋼，這樣，人們把錳與鉻也算成是“黑色金屬”了。
黑色金屬——鐵、錳、鉻三種。
有色金屬——除“鐵、錳、鉻”三種外。
輕金屬——密度小于4.5g/cm —-K、Na 、Mg、AI等
重金屬——密度大于4.5g/cm ——Fe、Cu、Hg、Pb等
低熔點(diǎn)金屬——K、Na、Mg、Al等
高熔點(diǎn)金屬——W、Fe、Cu、Pb等
一、金屬分類
按色澤分
按密度分
按熔點(diǎn)分
常見金屬——Mg、Al、Fe、Cu等 貴金屬——Ag、Pt、Au等
稀土金屬——Y、Sc、鑭系元素等
按使用頻率分
金屬
稀土元素。
包含元素：鑭系元素(從鑭到镥，原子序數(shù)從57～71的
15種元素)及 鈧、釔共17種元素。
圖 3 - 2 2 稀 土 元 素
鏑 (Dy)
常用于制
造 硬 盤 驅(qū)
動(dòng)器
二、合金
1、定義：兩種或兩種以上的金屬(或金屬跟非金屬)熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。
2、性質(zhì)：具有許多優(yōu)良的物理、化學(xué)或機(jī)械性能。
合金的性能可以通過所添加的
合金元素的種類、含量和生成合金的條件等來加以調(diào)節(jié)。
結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)：
(1)硬度大于各成分金屬
(2)熔點(diǎn)低于各成分金屬
合金內(nèi)原子層之間的 相對(duì)滑動(dòng)變得困難
純金屬內(nèi)原子的
排列十分規(guī)整
純金屬與合金的結(jié)構(gòu)比較
[提醒]
(1)合金是混合物而不是純凈物。
(2)不銹鋼的抗腐蝕能力比純鐵強(qiáng)。
(3)合金在許多方面不同于各成分金屬，不是簡(jiǎn)單加合；
但在化學(xué)性質(zhì)上，一般認(rèn)為合金體現(xiàn)的是各成分金屬的化學(xué)性質(zhì)。
(4)并非所有的金屬都能形成合金，兩種金屬形成合金，其前提是兩種金屬在同一溫度 范圍內(nèi)都能熔化，若一種金屬的熔點(diǎn)高于另一金屬的沸點(diǎn)，則二者不能形成合金。
低 碳 鋼 韌性、焊接性好，但強(qiáng)度低，用于制造鋼板、鋼絲和鋼管等 (含碳0.03%～0.3%)
中 碳 鋼 強(qiáng)度高，韌性及加工性好，用于制造鋼軌、車輪和建材等 (含碳0.3%～0.6%)
高 碳 鋼 硬而脆，熱處理后彈性好，用于制造器械、彈簧和刀具等 (含碳0.6%～2%)
不 銹鋼 它的合金元素主要是鉻(Cr)和鎳(Ni), 具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力。 超 級(jí) 鋼 具有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性的結(jié)合。
生鐵(含碳量在2%～4 . 3%之間，還含硅錳及少量磷)
性能：硬度大、抗壓，性脆、可以鑄造成型。
用途：是制造機(jī)座、管道的重要材料。
合金鋼也叫特種鋼，是在碳素鋼里適量地加入一種或幾種合金元素，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變 化，從而使鋼具有各種特殊性能，如強(qiáng)度、硬度大，可塑性、韌性好，耐磨，耐腐蝕等等。
碳素鋼
鋼
合金鋼
(特種鋼)
三、鐵合金
圖3-14 下水井蓋是由生鐵特造的
合金元素
主要作用
鉻(Cr)
增強(qiáng)耐磨性和抗氧化性；增強(qiáng)高溫強(qiáng)度；提高高碳鋼的耐磨性等
錳 ( M n )
防止硫引起的脆性；增強(qiáng)鋼的強(qiáng)度和韌性等
鉬 ( M o )
降低脆性；增強(qiáng)高溫強(qiáng)度；提高紅熱時(shí)的硬度和耐磨性等
鎢(W)
提高高溫時(shí)的強(qiáng)度和硬度；增強(qiáng)工具鋼的耐磨性等
鈷 ( C o )
提高紅熱時(shí)的硬度和耐磨性；用于制造磁性合金等
鎳(Ni)
增強(qiáng)低溫時(shí)的韌性；改變高鉻鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等
硅(Si)
提高低合金鋼的強(qiáng)度和硬度；增強(qiáng)高溫時(shí)的抗氧化性等
種 類 性能
用 途
鎢鋼、錳鋼 硬度很大
制造金屬加工工具、拖拉機(jī)履帶和車軸等
錳硅鋼 韌性特別強(qiáng)
制造彈簧片、彈簧圈等
鉬鋼 抗高溫
制造飛機(jī)的曲軸、特別硬的工具等
鎢鉻鋼 硬度大，韌性很強(qiáng)
做機(jī)床刀具和模具等
鎳鉻鋼(不銹鋼) 抗腐蝕性能強(qiáng)，不易氧化
制造化工生產(chǎn)上的耐酸塔、醫(yī)療器械和日常 用品等
鋼中合金元素的主要作用
練一練
1.生鐵的熔點(diǎn)是1100 ℃~1200 ℃,則可推斷純鐵的熔點(diǎn)是 ( D )
A.1085 ℃ B.1160 ℃ C.1200 ℃ D.1535 ℃
2.下列有關(guān)鐵和鐵合金的說法錯(cuò)誤的是 ( A)
A. 生鐵比鐵軟 B. 鐵有良好的導(dǎo)熱性
C. 鋼是鐵的合金 D. 鐵在潮濕的空氣中容易生銹
3.生鐵和鋼組成上有什么不同
(1)鋼的含碳量越低，韌性越好，硬度越低；
(2)含碳量越高，韌性越差，硬度越高。
(3)不同合金具有不同的性能。與鋼鐵相比，主要表現(xiàn)在機(jī)械強(qiáng)度、韌性、硬度、可 塑性、耐腐蝕性等方面
4.工業(yè)生產(chǎn)中常將兩種金屬在同一容器中加熱使其熔化，冷卻后得
到具有金屬特性的熔合物—一合金。試根據(jù)下表所列金屬的熔點(diǎn)和 沸點(diǎn)的數(shù)據(jù)(其它條件均已滿足),判斷哪種金屬不易跟其它金屬 制得合金 (填代號(hào)，雙選)。
金屬 Fe Cu Zn Ag Au
W
熔 點(diǎn) ( ℃ ) 1535 1083 419.5 960.8 1063
3380
沸 點(diǎn) ( ℃ ) 3000 2595 907 2212 2707
5637
A.Zn B.Fe C.W D.Ag
【答案】AC
【思考與討論】
1、碳素鋼的含碳量的高低與其硬度、韌性有何關(guān)系
【答】碳素鋼的含碳量越高，硬度越大；
含碳量越低，韌性越好。
2、在碳素鋼中，由于含碳量不同，高碳鋼、中碳鋼和低碳鋼的性能有很 大差異；向碳素鋼中加入不同的合金元素，可制得不同性能的合金鋼。這 對(duì)你有什么啟示
啟示：
1、合金元素不同，其性能不同
2、結(jié)構(gòu)決定性能，性能決定其用途
3、改變合金元素來開發(fā)新功能的金屬材料
四 、銅合金
(1)青銅是我國最早的合金，主要含銅和錫，有良好的強(qiáng)度和塑性、 耐磨、耐腐蝕，主要用于制機(jī)器零件如軸承、齒輪等。
(2)黃銅，主要含銅和鋅，有良好的強(qiáng)度和塑性、易加工、耐腐蝕， 主要用于制機(jī)器零件、儀表和日用品。
(3)白銅，主要含銅和鎳，它不容易生銅綠，常用于制造精密儀器和 裝飾品。
五、鋁和鋁合金
1、鋁的物理性質(zhì) 氧48.60%
銀白色金屬、密度小、質(zhì)軟，熔點(diǎn)低、
良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和延展性。
2、鋁的原子結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)
鉀2.47% 鎂2.00%
畫出鋁的原子結(jié)構(gòu)示意圖為： 氫0.76%
其他1.20%-
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb H Cu Hg ..
Al的化學(xué)性質(zhì)活潑，具有較強(qiáng)的還原性。
硅26.30%
鋁7.73% 鐵4.75% 鈣3.45% 鈉2.74%
問題3:Al的化學(xué)性質(zhì)活潑，為什么不易被氧化呢
閱讀課本P76第一段
資料卡片
鋁制品的表面處理
在空氣中，鋁的表面自然形成的氧化膜很薄，耐磨性和抗 蝕性還不夠強(qiáng)。為了使鋁制品適應(yīng)于不同的用途，常采用化學(xué) 方法對(duì)鋁的表面進(jìn)行處理，如增加膜的厚度，對(duì)氧化膜進(jìn)行著 色等。例如，化學(xué)氧化(用鉻酸作氧化劑)可以使氧化膜產(chǎn)生 美麗的顏色等。市場(chǎng)上有不少鋁制品是經(jīng)過這種方法處理的。
感受鋁的氧化膜的存在
加熱鋁箔
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：
鋁箔熔化，表面失去光澤，熔化的鋁并不滴落，
好象有一層膜兜著
活潑的金屬在空氣中易與氧氣反應(yīng)，生有一層 氧化物。有的氧化膜疏松，不能保護(hù)內(nèi)層金屬， 如鐵和鈉等。有的氧化物致密，可以保護(hù)內(nèi)層金 屬不被繼續(xù)氧化，如鎂和鋁等。
【實(shí)驗(yàn)3-4】在一支試管中加入5mL鹽酸，再向試管中放入一小塊鋁片。觀察現(xiàn)象。過
一段時(shí)間后，將點(diǎn)燃的木條放在試管口，你觀察到什么現(xiàn)象
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鋁片表面開始沒有氣泡，隨后有大量氣泡產(chǎn)生，試管壁有發(fā)熱現(xiàn)象。 一段時(shí)間后，將點(diǎn)燃的木條放在試管口可觀察到淡藍(lán)色火焰。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：鋁表 面 的保護(hù)膜和鋁均能與鹽酸發(fā)生反應(yīng)。
Al O +6HCl===2AICl +3H O,
化學(xué)方程式：
2Al+6HCl===2AICl +3H 個(gè)
想象實(shí)驗(yàn)： 把一小塊鋁片分別與2mol/L的鹽酸和1mol/L的硫酸反應(yīng)，哪個(gè)反應(yīng)
現(xiàn)象更明顯、反應(yīng)更劇烈
氯離子會(huì)破壞氧化膜的結(jié)構(gòu)。
活潑金屬鋁的保護(hù)衣---氧化鋁
為什么氯離子會(huì)破壞鋁表面的氧化膜
成相膜理論的觀點(diǎn)認(rèn)為，由于氯離子半徑小，穿透能力強(qiáng)，故它最 容易穿透氧化膜內(nèi)極小的孔隙，到達(dá)金屬表面，并與金屬相互作用形成 了可溶性化合物，使氧化膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，金屬產(chǎn)生腐蝕。
吸附理論則認(rèn)為，氯離子破壞氧化膜的根本原因是由于氯離子有很強(qiáng) 的可被金屬吸附的能力，它們優(yōu)先被金屬吸附，并從金屬表面把氧排 掉。因?yàn)檠鯖Q定著金屬的鈍化狀態(tài)，氯離子和氧爭(zhēng)奪金屬表面上的吸 附點(diǎn)，甚至可以取代吸附中的鈍化離子與金屬形成氯化物，氯化物與金 屬表面的吸附并不穩(wěn)定，形成了可溶性物質(zhì)，這樣導(dǎo)致了腐蝕的加速。
實(shí)驗(yàn)3-5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 反應(yīng)方程式
鋁片與NaOH溶液 反應(yīng) 開始沒有氣泡， 一段時(shí) 間后產(chǎn)生氣泡，將點(diǎn)燃 的木條放在試管口可觀 察到淡藍(lán)色火焰。 ①Al O +2NaOH=2NaAl0 +H O
偏鋁酸鈉
②2Al+2NaOH+2H O=2NaAl0 +3H
鋁片(打磨過) 與NaOH溶液反應(yīng) 立即產(chǎn)生氣泡，將點(diǎn)燃 的木條放在試管口可觀 察到淡藍(lán)色火焰。
2Al+2NaOH+2H O=2NaAl0 +3H A
【實(shí)驗(yàn)3-5】在兩支試管中分別加入少量的NaOH溶液，然后向其中一支試管中放入一小 塊鋁片，向另一支試管中放入用砂紙仔細(xì)打磨過(除去表面的氧化膜)的一小塊鋁片。 觀察現(xiàn)象。過一段時(shí)間后，將點(diǎn)燃的木條分別放在兩支試管口，你觀察到什么現(xiàn)象
問：通過實(shí)驗(yàn)，你對(duì)鋁和氧化鋁的性質(zhì)有什么認(rèn)識(shí)
Al和A1 O 均能與酸、堿反應(yīng)。 分別屬于兩性金屬和兩性氧化物。
兩性氧化物：既能與酸反應(yīng)生成鹽和水，又能與堿反應(yīng)生成鹽和水的氧化物，例如Al O 。
【應(yīng)用】由于Al 和A1 O 均能與酸、堿反應(yīng)，氯離子又會(huì)破壞氧化膜的結(jié)構(gòu)，因此 鋁制餐具不宜用來蒸煮或長時(shí)間存放酸性或堿性食物。
問：氧化鋁是兩性氧化物，當(dāng)作為酸性氧化物時(shí)，其對(duì)應(yīng)的酸是什么酸 是幾元酸
問：作為堿性氧化物時(shí)，其對(duì)應(yīng)的堿是什么 Al(OH) = H AlO =HAlO +H O
鋁酸 偏鋁酸
其中[Al(OH) ]-=AlO +2H O, 因 此NaAlO 也可寫成Na[Al(OH) ]。
Al是兩性金屬，試分析鋁跟堿反應(yīng)的本質(zhì)
2Al+6H O=2Al(OH) +3H 個(gè)
十 Al(OH) +NaOH=NaAlO +2H O
2Al+6H O+2NaOH=2NaAlO +4H O+3H 個(gè)
2Al+2H O+2NaOH=2NaAlO +3H 個(gè)
問：鋁與堿反應(yīng)氧化劑是什么
名稱 組成 主要性質(zhì)
用途
鋁合金 含有 10%-30%鎂 硬度和強(qiáng)度都比純鋁和純鎂大
火 箭 、
飛 機(jī) 、
輪船等
硬鋁 含有 Cu-4% Mg-0.5% Mn-0.5% Si-0.7% 強(qiáng)度和硬度都比純鋁大
鋁合金
純鋁的硬度和強(qiáng)度較小，不適合制造機(jī)器零件等。
(P80 教材習(xí)題3)向一個(gè)鋁質(zhì)易拉罐中充滿CO ,然后往罐中注人足量的濃NaOH溶液，
立即用膠布封嚴(yán)罐口。 一會(huì)兒聽到罐內(nèi)發(fā)出“咔、咔”的響聲，且易拉罐變癟；再 過一會(huì)兒易拉罐又鼓起來恢復(fù)原樣。請(qǐng)完成下列空白。
(1)易拉罐變癟的原因
CO 和NaOH 溶液反應(yīng)，導(dǎo)致易拉罐內(nèi)壓強(qiáng)變小 _,反應(yīng)的離子方程式
為 CO +2OH-==CO -+H O
(2)易拉罐又鼓起來的原因是
Al和NaOH溶液反應(yīng)產(chǎn)生H , 導(dǎo)致易拉罐內(nèi)壓強(qiáng)又變大，反應(yīng)的離子方程式為
2Al+20H-+2H O==2AlO -+3H 個(gè)
六 、新型合金
1、儲(chǔ)氫合金
閱讀教材P77-78, 思考以下問題：
(1)氫能的利用關(guān)鍵要解決什么問題
安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題
(2)儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫原理是什么
儲(chǔ)氫合金是一類能夠大量吸收H ,并 與
H 結(jié)合成金屬氫化物的材料。
要求：儲(chǔ)氫量大，金屬氫化物既容易形成，稍稍 加熱又容易分解，室溫下吸、放氫的速率快。
2、鈦合金、耐熱合金和形狀記憶合金等新型合金廣泛應(yīng)用于航空航天、
生物工程和電子工業(yè)等領(lǐng)域。
鈦合金 鎳鈷合金
圖3-20 我國“蛟龍”號(hào)載人潛水器最關(guān) 鍵的部件——供人活動(dòng)的耐壓球 殼是用鈦合金制造的
課堂練習(xí)
(P80教材習(xí)題9)我國發(fā)行的第五套人民幣中，1元、5角和1角硬幣的材 質(zhì)分別為鋼芯鍍鎳(1元)、鋼芯鍍銅(5角)和鋁合金(1角)。請(qǐng)查閱資
料，討論選擇鑄造硬幣的金屬材料時(shí)應(yīng)考慮哪些因素。
(提示：選擇鑄造硬幣的金屬材料時(shí)，應(yīng)該考慮的因素有硬度、
價(jià)格、光澤、耐磨性、耐腐蝕性、易加工程度等)
1、鎂鋁合金質(zhì)優(yōu)體輕，又不易銹蝕，大量用于航空工業(yè)、造船工業(yè)、日用化工等 領(lǐng)域。下列關(guān)于鎂鋁合金性質(zhì)的敘述中，不正確的是( C )
A.此合金的熔點(diǎn)比鎂和鋁的熔點(diǎn)都低
B.此合金能全部溶解于足量稀鹽酸中
C.此合金能全部溶解于足量氫氧化鈉溶液中
D.此合金的硬度比鎂和鋁的硬度都大
2、判斷正誤(正確的打“ √”,錯(cuò)誤的打“×”)。
(1)合金中只存在金屬元素，不可能有非金屬元素。
( × )
(2)生鐵的熔點(diǎn)比鐵低，但機(jī)械強(qiáng)度和硬度比鐵高。
( √ )
(3)生鐵中的鐵與純鐵的化學(xué)性質(zhì)不同。
( × )
(4)硬鋁、鋼鐵、水銀均屬于合金。
( × )
(5)鎂鋁熔合成合金的過程發(fā)生了化學(xué)變化。
( × )
(6)熔化燒堿可在氧化鋁坩堝中進(jìn)行。
( × )
(7)Al O 與少量的氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成A1(OH) 沉淀。
( × )
(8)硬鋁、生鐵均屬于混合物。
( √ )
3、將等物質(zhì)的量的Na和A1兩種金屬加入足量的水中，生成26.88 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)
的氣體，則下列描述錯(cuò)誤的是 ( B )
A.金屬Na無剩余 B.金屬A1有剩余
C.所得溶液溶質(zhì)為NaA10 D.Na的物質(zhì)的量是0.6 mol
2Al+2NaOH+2H O=2NaAlO +3H 個(gè)
4、等體積、等物質(zhì)的量濃度的稀硫酸、氫氧化鈉溶液分別放在甲、乙兩燒杯中，各加 入等質(zhì)量的鋁，生成氫氣的體積之比為5:6,則甲、乙兩燒杯中的反應(yīng)情況是( B )
A. 甲、乙中都是鋁過量 B.甲中鋁過量，乙中堿過量
C.甲中酸過量，乙中鋁過量 D.甲中酸過量，乙中堿過量
2Al+3H SO =Al (SO ) +3H 個(gè)
2Al+2NaOH+2H O=2NaAlO +3H 個(gè)
(3)A與Cl 混合光照可能發(fā)生爆炸，生成__HCl (填化學(xué)式) ,A 在該反應(yīng)中 作為_ 還原劑 _ (填“氧化劑”或“還原劑”)。
(4)溶液B中陰離子除OH-外還有 AlO ,溶 液D中存在的金屬離子為 Fe +。
氣體A
Fe 、A 加入 OH溶液 →溶液B
→固體C-加入稀鹽酸
X
a
操作
足量N
合物進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：
(1)操作X的名稱是過濾。
(2)氣體A是 H (或氫氣)
5、鐵和鋁是科技、生產(chǎn)、生活中應(yīng)用最廣泛的金屬材料。現(xiàn)有鐵、鋁的混
氣體A
→溶液D
6、Al(OH)3既能與酸反應(yīng)，生成鋁鹽(Al +), 又能與堿反應(yīng)生成
偏鋁酸鹽(AIO - ),屬于兩性氫氧化物，試寫出Al(OH) 與鹽酸、 氫氧化鈉溶液反應(yīng)的離子方程式。
Al(OH) +3H+=Al ++3H O
Al(OH) +OH-=AlO -+2H O

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