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第三节 用途广泛的金属材料
李北川 张丽敏 （2009.11.23）
[教学目标]
1．知识与技能目标
（1）能列举铁合金材料在生产和生活中的重要应用。
 （2）了解铜合金、铝合金在工业生产和高科技领域的应用知道合金的一般特性。
2．过程与方法目标
（1）运用合金材料在生活中的应用创设学习情境，引导学生自主学习。
 （2）对教材和教师给出的合金信息进行分类归纳概括，引导学生信息加工。
（3）体验科学知识和社会生活的互相影响的过程。
 （4）通过完成小论文，体验科学研究和收集整理信息的过程。
3．情感态度与价值观目标
（1）通过金属材料发展史及有关的知识，使学生初步认识合理使用金属材料
的意义。
（2）介绍金属材料面临的挑战，激发学生的社会责任感。
（3）积极开展社会调查活动，提高学生对金属材料的认识，增强其社会活动能力。
（4）开展多种形式的交流活动，培养学生的互助合作精神。
[教学重难点分析]
（1）知识重点：生活中铁合金、铜合金及铝合金的主要成分及性能；
（2）教学的重点：培养学生的获取和整理信息的能力，提高学生实践能力；
（3）解决怎样调动学生积极参与、自主学习既是教学重点又是难点；
[教学方法]
应用多种学习方式，把教学方式和学习方式有机结合起来，组织多样化的学习活动。
课时：1课时。
[教学过程]
[短剧]镁铝合金
镁：我是金属镁，金属镁的熔点是650，密度1.738g/cm3，具有銀白色光澤，略有延展性，导热导电性能好,。
铝：我是金属铝，密度2.702g/c㎡，熔点是660.37℃，银白色光泽，质地坚韧而轻，有延展性。
镁：我比你轻，熔沸点比你低，我比你活泼，在你前面呢
铝：我比你硬，地壳中含量最丰富的金属元素，我能和氢氧化钠反应，你行吗？
电转炉：别争了，都进来吧，
镁和铝：哎幺，我们都熔化了，你怎么挤我啊，你不也一样。
铝合金：哈哈，我，铝合金问世了，我同样有银白色的金属光泽，导热导电，还具有优良的耐腐蚀。但我的强度和硬度都比你们强的多，密度比你们小，而且熔点都比你们低，一般在 600 ℃左右，所以我可以在较低的温度下加工成各种形状，我广泛应用宇宙火箭、航天飞机、人造卫星等，一架超音速飞机约由70%的铝合金构成。
盐酸：镁说我比你活泼，我先反应
氢氧化钠：
[归纳总结]金属材料包括纯金属和合金。
一、金属的共性和特殊性
1、金属的物理通性
a.常温下，汞——液体，其他——固体.
b.大多数金属呈银白色（个别除外）
c.金属粉末多为黑色，铝粉还是银白色.
d.大多数金属有延展性，可以被抽成丝或压成片，金的延展性最好。
e.金属一般是电和热的良导体。银和铜的导电传热性能最好。铝的导电性能也很好。铜和铝常作为输电线。
虽然金属性质有很多的优点，但实际生活中却使用的最多的是合金，很少使用纯金属
二、常见合金的重要应用
[学生归纳总结]
1、合金：两种或两种以上的金属（或金属跟非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。
2、合金的物理性质
也具有与金属一样的通性，如导电、导热、延展性等。
合金优于纯金属的特点：
（1）合金的熔点比它的各成分金属的熔点都低
（2）合金的硬度和强度比纯金属的大，合金的密度较小
（3）合金具有不同成分金属的特殊化学性能和机械性能
注意：合金是混合物而不是纯净物
合金是金属与金属的熔合，也可以是金属与非金属（如C、Si等）的熔合
【提问】除了前面的金属应用外，大家还能否说出其他一些金属在生活中的应用呢？
【学生1】某些合金可以作战车装甲 ，比如m114采用硬铝合金，轻便防弹【子弹】。
【学生2】某些合金可制医疗器械 比如 钛合金可做人造骨骼，而手术器械则是由一种俗称手术钢的铁合金制成
【学生3】又如铅锡合金可作保险丝
【学生4】锰铜合金 镍镉合金 可作电阻线
【学生5】钢笔尖
【学生6】第五套人民币
一元 钢芯度镍合金；五角 钢芯镀铜合金；一角 铝合金
铸硬币的合金要坚硬、强度高、不易被腐蚀、光泽性好
3、几种重要的合金
（1）铜合金
[学生]铜的合金包括青铜、黄铜、白铜等等，其中青铜是我国最早使用的合金。
1.红铜：它是指纯铜，人类使用红铜是进入铜器时代的开始，制作矛头、刀、斧等；
2.青铜：铜锡合金，从古代人类使用青铜做镜开始，象征人类从红铜器时代进入青铜器时代，商末司母戊鼎，宝剑；
3.黄铜：铜锌合金，其受撞击发出悦耳的声音，制作锣、铃、钟等；又因其耐腐蚀，可制造船舶、弹壳、装饰品、锁头、雕像、假牙等；
4.白铜：铜镍合金，来源于中国，阿拉伯语中把白铜称为“中国石”，银光闪闪，不易生铜绿，可用于制做精密仪器、装饰品、医疗器材。
【点评】谢谢这位同学的发言，讲述得非常的精彩，列举了很多生活中的例子，也给我们留下了深刻的印象。青铜器是人们利用的最早的金属材料。但是由于铜质地比较柔软，所以人们在金属铜中加入其他的金属从而形成了青铜，使人类跨进了文明的新时代——青铜器时代。
[板书]
（1） 铜合金
合金
主要成分
主要性能
主要用途
青铜
Cu Sn
强度高、可塑性好、耐磨、耐腐蚀
机器零件如轴承、齿轮等
黄铜
Cu Zn
强度高、可塑性好、耐磨、耐腐蚀
机器零件、仪表、日用品
白铜
Cu Ni
光泽好、耐磨、耐腐蚀、易加工
钱币、代替银做饰品
强调铜及其合金的性质以及合金材料在强度与熔沸点上的特殊性质。
[教师]随着人们的不断进步，人们在不断的探索中冶炼出了铁，人类迈进了铁器时代。将铁不断的煅烧、锤打得到了钢，使得现代的工业有了骨骼。
(2) 铁合金
铁及其合金是现在运用得最多的金属材料。铁的合金根据含碳量的多少分为生铁和钢。
钢（铁碳合金）主要分为碳素钢和合金钢。碳素钢（C％＝0.03％－2％）有良好的延展性，机械性能好，可铸可锻、含碳量高，硬度大；含碳量低，韧性较强。以碳素钢为主。合金钢（碳素钢中加入其他元素，如铬、锰、钨、镍、钼、钴、硅等）如不锈钢在空气中比较稳定，不容易生锈，具有很强的抗腐蚀能力 。 
生铁：－Fe、C（C％＝0.6％－4.3％） 含碳量高，硬度大
钢：－Fe、C（C％＝0.03％－2％） 含碳量低，韧性好
【知识小结】
①钢的含碳量越低，韧性越好，硬度越低；
②含碳量越高，韧性越差，硬度越高。
③不同合金具有不同的性能。
[教师总结]铁器时代，人们的冶炼技术发展得到了性质比铜及其合金青铜优越的铁和铁的合金，由于铁元素在地壳中的含量比较大，开采相对容易，冶炼方法比较早被人们所掌握，所以铁以及铁的合金是人类利用得最多金属材料。
总结铁及其合金的性质，强调生铁和钢的组成和区别。
(3) 铝合金： 铝及其合金的特点 泡沫金属
其他合金
名称
组成
主要性质
主要用途
铝合金
含有10%~30%的镁
硬度和强度都比纯
铝和纯镁大
高压锅、火箭、
飞机、轮船等制造业
硬铝
含铜4%、镁0.5%、
锰0.5%、硅0.7%
硬度和强度都比纯
铝和纯镁大
火箭、飞机、轮船
等制造业
钛合金
含铝6%、钒4%
耐高温、耐腐蚀、
高强度
用于飞机、宇航、
化学工业
金合金
加入银、铜、稀土
元素等
有光泽、易加工、耐磨
耐腐蚀
金饰品、电子元件、
钱币、笔尖

[教师总结] 生产力的不断发展，现代人们对于金属材料的要求越来越高，在不同的领域还有不同的特殊要求，所以现在的金属材料绝大多数都是合金。金属材料的前景也是广阔的。
【钛合金】我们组金、银、铜、铁、铝是大家熟悉的“五金”，它们各怀绝技，但也各有缺陷。而1910年才出世的金属钛能兼顾“五金”的优点，能胜任“天上雄鹰，海底蛟龙”的重任，被誉为“未来金属”“空间金属”的美称。钛合金 良好的延性和展性，远比钢铁坚硬，常温下，最凶猛的酸——王水，也不能腐蚀它
1.大家对钛并不了解，由于钛及钛合金特点太多，主要运用于航天工程及国防科技。
2.在我们的身边，我们最常看到就是将钛使用在运动器材方面，另外钛合金的高尔夫球杆头也是利用钛的特性所制作完成的。
3.钛合金的应用范围还包括制作与人类身体相关的产品，我们平常最常接触的就是钛合金镜框，另外还有像人造牙齿、人造骨骼等等都可以利用钛合金来制作。
4.钛合金可以运用在航海业、化工业、电子业、电镀业、食品业、医疗设备、发电厂、海水淡化系统、钟表、电脑、厨具、艺术品........都可看到钛金属之产品，甚至移动电话外设亦有用到。
5.钛的轻质、高强度等性能早已为汽车制造商所注目。钛在赛车上的应用已有许多年历史，目前的赛车几乎都使用了钛材。在美国，已生产出用于赛车的钛制进气阀、排气阀、阀护圈和连杆等部件。
目前钛的应用只是个良好的开端，本世纪必将成为“钛金属世纪”。
【点评】谢谢这位同学的发言，讲述得非常的精彩，给我们带来了一些生活当中很少接触的知识，从发言中也可以看出大家在查阅金属及其合金用途的资料方面做了大量的工作，下面我就结合一些画面来介绍金属钛的用途。
【讲述】好，由于时间关系，有关各种金属的用途就暂时讨论到这里，课后各位同学可以继续交流。由此可以看到大家在查找金属材料及其用途的有关资料方面做了大量的工作，对金属的用途也有了一定的了解，所以，金属有着广泛的用途。但事物都是一分为二的，金属在广泛运用同时也会给我们带来一些负面的影响。好，现在我们就以金属铝在生活当中的应用为例子，对其在使用过程当中存在的利和弊进行辩论。
【讲述】辩论之前，我先说明一下规则：
正方观点：铝质饮料罐的使用利大于弊
反方观点：铝质饮料罐的使用弊大于利
各位同学可根据你所查阅资料的情况选择正方或反方。
【讲述】辩论规则：
1．辩论陈词阶段：由正方、反方的顺序陈词，时间各90秒。
2．自由辩论阶段：由正方开始，时间视情况，双方辩手都必须等待对方辩手落座后方可发言，正反双方不得连续发言，自由辩论时注意发言尽量言简意赅。
3．辩论总结阶段：双方分别总结陈词，由反方开始，时间各60秒。
5．老师对比赛情况进行点评，评出本场比赛的胜方和最佳辩手。
【讲述】辩论正式开始，有请正方同学来阐述你的观点。
【学生15】在熟悉了铝及其合金的性质及用途后，从不同的角度来看，我认为铝在生活中的应用利大于弊，现在我就从以下几个角度来探讨：
第一、对于开采铝矿的工人来说，认为应该加强金属铝的使用，因为在世界上铝的储量非常丰富，占有总量的7.4%，并且易于开采及冶炼；
第二、对于制造铝制饮料罐的工人来说，我也认为应把铝放在制造饮料罐材料的首位，这是因为铝是一种无毒的金属，在日常生活中一向是盛放食品和饮料容器的首选材料，而且它及易于加工、上色；
第三、站在消费者的角度，我觉得使用铝制饮料罐比用塑料的要美观、大方，并且易于携带；
第四、从售货员的角度来看，铝制饮料罐制品特别好卖，特别是对学生这一大块的消费者，并且其成本低，利润高，也使工作得到了保障；
第五、站在回收人员的立场来看，我也赞成使用铝制饮料罐，这是因为铝的回收率极高，并且再生铝的特性与原生铝的没什么区别，回收铝已占世界铝总产量的35%。
所以，从不同的角度来看，我都认为铝在饮料罐上的使用利大于弊。
【讲述】有请反方同学来阐述你的观点。
【学生16】铝在生活中无处不在，并且与我们的生活息息相关，但其使用了之后，会对人体的健康产生不良的影响。我认为铝在生活中的应用弊大于利，下面我从几个方面来阐述我的观点：
第一、从开采铝矿的工人来讲，虽然铝含量特别的丰富，但也总会有用尽的一天，我认为应当适量并合理的开采，并把它用到更能发挥其特性的用途之上；

2、角色扮演：是否应该停止使用铝质饮料罐假如你是以下人员之一，对这一问题有什么看法？请查阅资料并做准备，然后选择角色，进行活动。可能扮演的角色：
   开采铝矿的工人
   生产铝质饮料罐的工人
   饮料公司老板
   销售员
   消费者
   环保局官员
   回收公司人员
   ......
对学生的表演做简单的评论。
在此基础上展开讨论，引导学生思考我们考虑问题不应只从自身的立场出发，更应从各个方面全面的看待问题。
四、简要介绍新型合金材料[供参考]
新型的金属材料如形状记忆合金、金属多孔材料、磁性材料、高温合金、储氢合金等的相继问世，大大扩展了金属材料的应用范围，让学生感受新型金属材料的神奇。
神奇的形状记忆合金
　　1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料”。
　　记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。
　　记忆合金在临床医疗领域内有着广泛的应用。例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等等，记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。
　　记忆合金同我们的日常生活也同样休戚相关。仅以用记忆合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过“记忆”功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时，记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。
　　作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正不断被开发，例如：用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，实在方便。
金属多孔材料
　　这类材料是采用事先加工好的球状或不规则的金属（Ti、Mo、W等）粉末，经过压型、烧结等工艺，使金属颗粒既能熔接起来，又能保持由表及里、纵横交错、相互贯通的众多小空隙。这类材料除具有一般金属的性能外，最突出的是透过性强、过滤性能高、经久耐用。适用于作过滤器、流体分布和渗透装置等，也适于作消音和减震材料。随着科学技术的发展，孔径为0.1 m以下的金属多孔材料过滤膜，已普遍应用于同位素分离技术、原子反应堆的排气技术、消音器、减震器、催化剂、热交换器、燃料电池的电极等方面。
磁性材料
　　在许多过渡金属元素和它们的化合物中，由于有未成对的d电子存在，所以具有顺磁性，可以被磁场所吸引。Fe、Co、Ni等金属则具有铁磁性，铁磁性物质和顺磁性物质一样，也会被磁场所吸引，但磁场对铁磁性物质的作用力要比顺磁性物质大得多。同时，铁磁性的固体物质在磁场中被磁化以后就已经永磁化了，也就是说，在外加磁场不存在时仍保留磁性。而顺磁性物质只有在外加磁场存在时才表现出磁性。并不是所有含未成对电子的金属都是铁磁性的，如锰有5个未成对电子，铁只有4个未成对电子，铁有铁磁性而锰却不具有铁磁性。具有铁磁性的一个必要条件是在晶格中顺磁性的原子之间的距离要正好合适。如果原子靠得太紧密，相邻原子中由于未成对电子占用的轨道会重叠而使自旋相反的电子配对；如果原子相距太远，则一个原子中的未成对电子的自旋就不能与相邻原子中电子的自旋取得一致。
　　非铁磁性金属可以通过制成各种合金而成为铁磁性的合金。常用的铁磁性合金有硅铁（含硅4％～5％）、Fe—Ni合金、Fe—Ni—Co合金等。在磁性材料方面，含有某些稀土金属的永磁铁是目前最强的永久磁性材料，已广泛应用于近代各个技术部门中，如制造微型电机、各种微波设备、航空和宇宙航行的仪器中等。
　　现在，一些工业先进的国家正在致力于钕——铁——硼永磁材料的科研与生产。
稀土元素及应用
在元素周期表中，镧系元素和钇称为稀土元素（广义的稀土也包括钪），这是18世纪沿用下来的名称，因为当时认为这些元素稀有，它们的氧化物既难溶又难熔，因而得名。稀土元素性质相似，并在矿物中共生，难以分离。
稀土元素具有特殊的物质结构，因而具有优异的物理、化学、磁、光、电学性能，有着极为广泛的用途。
(1)结构材料
在钢铁中加入适量稀土金属或稀土金属的化合物，可以使钢得到良好的塑性、韧性、耐磨性、耐热性、抗氧化性、抗腐蚀性等等。
(2)磁性材料
稀土金属可制成永磁材料，稀土永磁材料是本世纪60年代发展迅速的新型功能材料。如SmCO5、Sm2CO17、Sm2Fe17Nx等均为磁性能优良的材料。稀土金属能制成磁光存储记录材料，用于生产磁光盘等。
(3)发光材料
稀土金属的氧化物可作发光材料，如彩色电视机显象管中使用的稀土荧光粉，使画面亮度和色彩的鲜艳度提高许多。稀土金属卤化物发光材料能制成节能光源。稀土金属还能制成固体激光材料、电致发光材料等，电致发光材料可用于大面积超薄型显示屏。
(4)贮氢材料
用稀土金属制成的贮氢材料广泛用于高容量充电电池的电极。
(5)催化剂
在石油化工中，稀土金属主要用作催化活性高、寿命长的分子筛型的催化剂，可以用于石油裂化、合成橡胶等工业。近年来，科学家正致力于研究用稀土金属作为汽车尾气净化的催化剂。
(6)超导材料
北京有色金属研究总院发明的“混合稀土—钡—铜—氧超导体”，为高温超导体的研究和应用开拓了新的途径，荣获第23届国际发明展览会金奖。
(7)特种玻璃
在石英光导纤维中掺入某些稀土金属，可大大增强光纤的传输能力。
在玻璃工业中，用稀土金属作澄清剂、着色剂，可以使玻璃长期保持良好的透明度。玻璃中若加入某些稀土金属的氧化物可使玻璃染成黄绿色、紫红色、橙红色、粉红色等。稀土金属化合物也常用于陶瓷的颜料。

[板书]
第三节 用途广泛的金属材料
一、金属的共性和特殊性
1、金属的物理通性
a.常温下，汞——液体，其他——固体.
b.大多数金属呈银白色（金铜除外）.
c.金属粉末多为黑色，铝粉还是银白色.
d.大多数金属有延展性，金的延展性最好。
e.金属一般是电和热的良导体。银和铜的导电传热性能最好。铝的导电性能也很好。
3、金属的化学性质
金属活动顺序表 K Ca Na MgAl Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au    
金属原子失电子的能力（还原性） 强 ————→ 弱    
金属阳离子的电子能力（氧化性） 弱————→ 强    
二、常见合金的重要应用
1、合金：两种或两种以上的金属（或金属跟非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。
2、合金的物理性质
也具有与金属一样的通性，如导电、导热、延展性等。
合金优于纯金属的特点：
（1）合金的熔点比它的各成分金属的熔点都低
（2）合金的硬度和强度比纯金属的大，合金的密度较小
（3）合金具有不同成分金属的特殊化学性能和机械性能
注意：合金是混合物而不是纯净物
合金是金属与金属的熔合，也可以是金属与非金属的熔合
3、几种重要的合金
[板书]
(1) 铜合金
合金
主要成分
主要性能
主要用途
青铜
Cu Sn
强度高、可塑性好、耐磨、耐腐蚀
机器零件如轴承、齿轮等
黄铜
Cu Zn
强度高、可塑性好、耐磨、耐腐蚀
机器零件、仪表、日用品
白铜
Cu Ni
光泽好、耐磨、耐腐蚀、易加工
钱币、代替银做饰品
（2） 铁合金
生铁：－Fe、C（C％＝2％－4.3％） 含碳量高，硬度大
钢：－Fe、C（C％＝0.03％－2％） 含碳量低，韧性好
【知识小结】
①钢的含碳量越低，韧性越好，硬度越低；
②含碳量越高，韧性越差，硬度越高。
③不同合金具有不同的性能。与钢铁相比，主要表现在机械强度、韧性、硬度、可塑性、耐腐蚀性等方面
(3) 铝合金： 铝及其合金的特点其他合金

名称
组成
主要性质
主要用途
铝合金
含有10%~30%的镁
硬度和强度都比纯铝和
纯镁大
火箭、飞机、轮船
等制造业
硬铝
含 铜4%、镁0.5%、锰0.5%、硅0.7%
硬度和强度都比纯铝和
纯镁大
火箭、飞机、轮船
等制造业
钛合金
含铝6%、钒4%
耐高温、耐腐蚀、
高强度
用于飞机、宇航、
化学工业
金合金
加入银、铜、稀土元素等
有光泽、易加工、耐磨
耐腐蚀
金饰品、电子元件、
钱币、笔尖
3.金属选材需要考虑的问题
(1)主要用途 （2）外观 （3）物理性质（密度、硬度、强度、导电性） （4）化学性质（对水的作用、耐腐蚀性） （5）价格 （6）加工难度 （7）日常维修等。
三、学生活动
四、新型合金材料
形状记忆合金、金属多孔材料、磁性材料、高温合金、储氢合金、稀土元素及应用等