资源简介

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第二节
金属材料
第1课时
铁合金
第三章
01
通过宏观比较纯金属和合金的性质差异，再通过微观结构的探析分析产生性质差异的原因。
03
通过对我国刀剑材料发展史的了解，感受化学的学科价值，从现代刀具的元素组成、性质和用途关联，强化结构决定性质、性质决定用途的观念。
02
通过对生活中最常见的不同用途的刀具材料选择的讨论，培养从多角度分析问题、辩证看待问题的能力。
学 习 目 标
Fe
教学重点
教学难点
Fe
结构决定性质、性质决定用途的观念
结构与性质的关系
历史的荣耀
环节一
组成的优化
环节三
工艺的发展
环节二
未来的展望
环节四
教 学 环 节
环节一：历史的荣耀
青铜器时代
石器时代
铁器时代
铜剑始于商朝，一般都加长到五六十厘米。一把青铜剑主要由剑身和剑柄组成，所谓“剑柄”就是剑柄。
石器时代，刀剑材料的发展是石、骨、蚌、竹、木、皮制成戈、矛、斧、铲等。
西汉以后，铁制兵器完全取代了青铜兵器。
冷兵器时代
【展示】
青铜：锡+铜（Sn+Cu）合金
黄铜：锌+铜（Zn+Cu）合金
白铜：镍+铜（Ni+Cu）合金
紫铜：纯铜（Cu）
环节一：历史的荣耀
青铜文化
合金？
【提问】
环节一：历史的荣耀
合金
【小结】
定义：
由两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。
特点：
1）硬度大；2）熔点低；3）耐腐蚀
注意：
1）合金的熔合是物理变化；
2）合金是混合物，典型的溶液；
3）合金=金属+金属，合金=金属+非金属；
4）合金也属于金属材料，组成合金的部分都是单质；
5）合金具有优良的物理、化学、机械性能。
微观角度
环节一：历史的荣耀
【提问】
纯金属
合 金
纯金属内所有的原子的形状和大小都是相同的，原子的排列十分规整，加入或大或小的其他原子后，改变了原有规则的层状排列，使得原子层间的相对滑动变得困难，故而合金的硬度变大。
结构
性质
决定
反映
环节一：历史的荣耀
熔点
武德合金
50%铋（Bi） 271℃
12.5%锡（Sn）232℃
25%铅（Pb） 327℃
12.5%镉（Cd） 321℃
70℃
合金的熔点一般比其成分金属的熔点低
古代冶金师选择不同的金属配比铸造不同硬度、不同韧性的金属器满足不同需求，彰显了古代冶金师的只会及其精湛的铸造工艺。于此同时，金属的发展也带动了文化的发展......
伍德合金用于制电路保险丝、自动灭火和防爆安全装置等。
【小结】
环节一：历史的荣耀
【展示】
九锡禅杖
如意金箍棒
九齿钉耙
降妖宝杖
神话兵器
金属的文化发展缔造了
环节二：工艺的发展
铁的储量远大于铜，为什么青铜器先于铁器出现呢？
Fe——使用最广、产量最大
【活动】
春秋后期，人们已能应用生铁冶铸出硬而脆的生铁。
生铁：生铁是含碳量大于2%的铁碳合金，工业生铁含碳量一般在2.11%-4.3%，并含Si、Mn、S、P等元素，是用铁矿石经高炉冶炼的产品。生铁性能为坚硬、耐磨、铸造性好，但生铁脆，不能锻压。古代冶金师不断改进工艺，将含碳量降低到0.03%-2%，即为钢。
环节二：工艺的发展
明李时珍《本草纲目·金石一·铁》（集解）引钟明曰：“铁，今江南、西蜀有炉冶处皆有之。初炼去矿，用以铸泻器物者为生铁。”
明宋应星《天工开物·五金》：“凡铁分生、熟，出炉未炒则生，既炒则熟……凡造生铁为冶铸用者，就此流成长条、圆块、范内取用。”
熊立博《松子》：“有时一些打好的菜刀不见了，或是生铁不见了，还不是他们拿去换了钱。”
【小结】
因为铁的金属活动性比铜大,铁在自然界中多以化合态存在,如各种铁矿石：赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿等，而铜则多以游离态存在。故那时冶铜技术更好掌握，而炼铁的技术比较高,所以青铜早于铁的应用。
Fe合金
C：2％～4.3％
C：0.03％～2％
生铁
钢
硬度大、抗压、性脆、可铸造成型，是制机座、管道的材料。
延展性、机械性能好、可锻轧和铸造，是制造机械、交通工具的材料。
环节二：工艺的发展
钢
碳素钢
合金钢
低碳钢
高碳钢
中碳钢
（含C：0.03％～0.3％）
（含C ：0.3％～0.6％）
（含C：0.6％～2％ ）
韧性、焊接性好，强度低，制钢板、钢丝、钢管
硬而脆，热处理后弹性好，制造器械、弹簧、刀具
强度高，韧性加工性好，制造钢轨、车轮、建材
（特种钢）
在碳素钢里加入金属元素，合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。
【展示】
环节二：工艺的发展
合金钢
铬Cr
增强耐磨，抗氧化，增强高温强度
锰Mn
增强加韧，防硫引起的脆性
钼Mo
增强高温强度，降脆，提高红热硬度和韧性
钨W
增强高温强度硬度，增强耐磨性
钴Co
提高红热时的硬度和耐磨性，制造磁性合金
镍Ni
增强低温韧性，改变高铬钢内部结构
硅Si
提高低合金钢的强度和硬度，增强抗氧化性
【阅读】
环节二：工艺的发展
【展示】
不锈钢
不锈钢是不锈耐酸钢的简称
不锈钢雕塑
不锈钢钢材
不锈钢地铁车体
不锈钢消毒柜
最常见的一种合金钢
不锈钢
按合金元素的含量
低合金钢（合金元素小于5%）
中合金钢（合金元素处于5%-10%）
高合金钢（合金元素大于10%）
按用途
合金结构钢
合金工具钢
特殊性能钢
按合金元素的种类
铬钢
锰钢
铬锰钢
铬镍钢
铬镍钼钢
硅锰钼钒钢
【讲解】
按组织状态
马氏体钢
铁素体钢
奥氏体钢
奥氏体-铁素体（双相）不锈钢
沉淀硬化不锈钢
环节三：组成的优化
铁、碳、其他金属原子的排列方式不同，决定了不同的性能与用途。
铁合金的微观结构
环节三：组成的优化
环节三：组成的优化
现代铁合金有哪些用途？性能上有什么不同的要求？
建筑应用领域
宽敞的大厅
食品加工、餐饮
公共场所
【小结】
强度、韧性、耐腐蚀、耐磨损
环节四：未来的展望
“中国超级钢之父”王国栋
“核心技术买不来，必须靠智慧和双手”
超级钢
超级钢是通过各种工艺方法将普通的碳素结构钢的铁素体晶粒细化，进而使其强度有大幅度提高的钢材。超级钢是改进传统钢铁材料的一些不足，减少材料消耗，降低能耗而研制的新材料 ，其主要目的在于解决传统钢铁材料在强度、寿命上的不足．同传统钢铁材料相比，超级钢具有高性能、低成本的特点。
超强防弹衣
轻型汽车
航空航天
桥梁建筑
超强防弹衣
轻型汽车
航空航天
桥梁建筑
【展示】
环节四：未来的展望
【练习】
1．中国传统文化中蕴含着许多化学知识，下列说法错误的是（ ）
A．“绿蚁新醅酒，红泥小火炉”，制成火炉的“红泥”中含氧化铁
B．“火树银花合，星桥铁锁开”诗词中所涉及的焰色试验，属于化学变化
C．《淮南万毕术》中记载，“曾青得铁则化为铜”，这种湿法炼铜属于置换反应
D．“古人以剂钢为刃，柔铁为茎干，不尔则多断折”里的“剂钢”的硬度比纯铁的大
2．《天工开物》中记载：“凡治地生物，用锄、镈之属，熟铁锻成，熔化生铁淋口，入水淬健，即成刚劲。每锹、锄重一斤者，淋生铁三钱为率。少则不坚，多则过刚而折。”下列说法错误的是（ ）
A．熟铁是含碳的铁合金 B．熟铁的硬度比生铁低
C．生铁质地较硬但是韧性较差 D．生铁的熔点比熟铁的高
B
D
金属元素灼烧发生电子跃迁
生铁含碳量较高，熟铁含碳量较低，生铁的熔点比熟铁的低
环节四：未来的展望
【练习】
3．中国传统文化中蕴含着许多化学知识，下列说法错误的是（ ）
A．“熬胆矾铁釜，久之亦化为铜”该反应类型为置换反应
B．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁
C．“司南之杓，投之于地，其柢指南”，司南中“杓”的材质为Fe3O4
D．“凡铁分生熟，出炉未炒则生，既炒则熟”中的“炒”为氧化除碳过程
4．下列关于合金的说法中，正确的是（ ）
A．在我国最早使用的合金是钢 B．稀土金属可以用于生产合金
C．合金的熔点比各成分金属的高 D．钢是含碳量高于生铁的铁碳合金
B
B
稀土金属可添加至镁、铝、铜等有色金属中，改善合金的物理、化学性能。
铜合金
低
低
环节四：未来的展望
【练习】
5．2022年北京冬奥会上，我国短道速滑队所用冰刀材料是特殊的钢材料。下列说法中正确的是（ ）
A．该合金熔点比纯铁熔点高 B．该合金硬度比纯铁高
C．该合金碳含量比生铁高 D．该合金含碳量为2%~4.3%
6．2022年10月，世界首个电磁推进地面超高速试验设施“电磁橇'”在山东济南成功运行，它可以把超过1吨的物体在短时间内从0加速到1030公里/小时，创造了大质量超高速电磁推进技术的世界最高速度纪录。
(1)“电磁橇”的轨道材料为铁合金，其优点是 (写一条)。
(2)建设“电磁橇”的过程中，对铁质材料进行深加工时，可用 清洗其表面的铁锈，该反应的离子方程式为 。
(3)生产“电磁橇”的铁质材料时，炽热的铁水注入模具之前，模具必须进行充分的干燥处理，不能留有水，原因是 (用化学方程式解释)，该反应的类型属于 。
B
硬度大
稀盐酸
氧化还原反应

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