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第八单元 金属和金属材料
主题情境·高铁建设中的金属和金属材料
主题大概念
物质具有独特的物理性质和化学性质，同类物质在性质上具有一定的相似性；物质具有广泛的应用价值，物质的性质决定物质的用途。
单元大概念
金属的组成与结构决定其性质，结构上的相似性与差异性决定了金属的性质也具有相似性和差异性，性质决定其用途；金属具有广泛的应用价值，人类的可持续发展需要对金属资源进行保护。
单元教学主题
高铁建设中的金属和金属材料
单元课时划分
单元核心知识
课时1 高铁建设中金属材料的选择
课时2 高铁建设中
金属材料的获取
课时3 高铁建设中金属材料的保护
课时4 我为列车蚀刻车牌
常见金属和合金的物理性质和用途
铁的冶炼、含杂质计算
金属和氧气的反应、铁生锈的条件和防锈措施、金属资源的保护
金属与酸、盐溶液的反应，金属活动性顺序、置换反应
课时1 金属材料
主题情境·高铁建设中金属材料的选择
主题情境
高铁建设中金属材料的选择
选择轨道金属材料
选择高铁车体金属材料
选择高铁其他部位的金属材料
了解未来高铁材料
情境线
问题线
作为轨道建设的金属有哪些要求？如何选择能满足对应要求的金属？能不能直接选择纯铁作为高铁轨道的材料？为什么不用铝合金作为高铁轨道材料？
哪种金属材料适合作高铁车体？主要考虑的因素是什么？
知识线
金属的物理共性；
金属的特殊物理性质；
决定物质用途的因素
高铁电子组件焊料及电传输材料一般是什么材料？它们具有怎样的性质？
未来高铁材料的发展趋势是什么？
合金的性质与用途
新型材料
1.知道金属具有一些共同的物理性质,认识金属的性质与用途的关系，建立物质性质决定物质用途的化学观念
2.知道在金属中加入其他元素形成合金可以改变金属材料的性能
3.知道金属、金属材料在人类生产生活和社会发展中的重要作用，形成合理使用金属材料的观念
学习目标
重点
重难点
如果你是一名高铁设计者，你会如何选择金属材料？
高铁建设中哪些地方会用到金属材料？
焊接焊料
车身
铁轨
电传输线路
选择轨道金属材料
不易变形
耐磨
韧性好
能承受
巨大压力
不易腐蚀
...
...
如何选择金属？
作为轨道建设的金属有哪些要求？
任 务 1
复习回顾
金属有哪些物理性质？
观察下列金属及其制品，它们的外观有什么异同？
铜(Cu)
金(Au)
铁(Fe)
银(Ag)
金属有颜色、有光泽
汞(Hg)
铜、铁、银、金为固体；汞为液体
相同点
不同点
金属具有良好的导电性
铁导线
铝芯线
铜电缆
以下金属的用途主要反映其具有哪种物理性质？
金属具有良好的导热性
铁锅炒菜
铜锅涮肉
以下金属的用途主要反映其具有哪种物理性质？
金属具有良好的延展性
铁拉成丝
铝展成箔片
铜制成铜片
以下金属的用途主要反映其具有哪种物理性质？
大多数
为固态
导热性
延展性
有金
属光泽
导电性
总结：金属的物理性质(共性)
······
······
(1)大多数金属呈银白色，铜为_______，金呈_______
(2)常温下，大多数金属都是固体，汞为________
(3)____能被磁铁吸引
黄色
红色
液态
铁
自主阅读
阅读课本P2~3并结合生活常识，补全金属的物理性质(差异性)
阅读课本P3表8-1，P4资料卡片，完成下列问题。
铝 Al
地壳中含量最高的金属元素 　
钙 Ca
人体中含量最高的金属元素
银 Ag
导电、导热性最好的金属
铬 Cr
硬度最大的金属
铁 Fe
年产量最高的金属
汞 Hg
熔点最低的金属
钨 W
熔点最高的金属
金属之最
不同金属的物理
性质有差异！
性质决定用途，用途体现性质，我们来根据特定用途来选择材料吧！
结合所学并根据下面呈现的 “资料卡片”，选出适合作为轨道材料的金属。
资料卡片 金属市场价格(仅供参考)
4850元/吨
14325元/吨
铜
22760元/吨
22670元/吨
银
铬
143280 元/吨
锡
948. 85 元/克
生铁
铅
锌
铝
66000元/吨
镍
277500 元/吨
68700元/吨
4. 96元/克
铂金
资料卡片 金属的硬度比较(以金刚石的硬度为10作为标准)
4~5
铅
2.5~3
铝
银
铬
金
铁
1.5
2~2.9
9
铜
2.5~4
2.5~3
硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要性能指标。
如果不考虑其他因素的情况下，硬度越高耐磨性也就越好。
资料卡片
环保
性质
回收
便利
价格
美观
资源
决定物质用途的因素
物质
的用途
决定性因素
······
铜
铬
铁
综合多种因素，铁最适合用作轨道材料
释疑
结合学到的知识并根据 “资料卡片”，选出适合作为轨道材料的金属。
价格：最便宜
硬度：小于铬
含量：最多
价格：高于铁
硬度：最大
含量：最少
价格：高于铬
硬度：小于铁
含量：较多
(1)高铁热水按钮为什么使用塑料制作
金属具有良好的导热性，为了防止被烫伤。
(2)选择铸造高铁纪念币的金属材料需要考虑哪些因素？
光泽好、耐磨、耐腐蚀、易加工、储藏量等。
思考：
(3)为什么电线用铜丝，高压线用铝丝，不用导电性能更好的银丝
Cu
铜的导电性能比铝高，在低压电路中使用铜线可以减少电阻，提高电路效率。铜的熔点较高，耐腐蚀，可以保证电线的使用寿命
良好的导电性能和导热性能、熔点较高，耐腐蚀
Al
铝的熔点低，通电后会很快熔断，不适合用于日常导线。与电线相比，高压线在输送电功率相同的前提下，电压高电流低生热少
导电性好，密度小，熔点低
Ag
导电性最好，相对密度较大，造价高，可用于精密仪器的导线
思考：
通过综合考量，我们已选择了铁作为高铁轨道所用材料。那么我们是否可以直接选择使用纯铁呢？
钢
含碳量为0.03% ～ 2%，不锈钢中还含有铬、镍等
机械性能：较硬而韧，有弹性、良好的延展性
生铁
含碳量为2% ～ 4.3%，还含有硅、锰等
机械性能：硬而脆、无韧性
工业纯铁(熟铁)
含碳量：0%~0.02%
机械性能：质软
高铁轨道材料需要用到性能更好的钢。
在纯金属中加热熔合某些金属或非金属，就可以制得具有金属特征的合金
金属+金属
如黄铜(铜+锌)
金属+非金属
如生铁(铁+碳、硅等)
“生铁和钢是含碳量不同的两种铁合金”。那什么是合金呢？
不锈钢
硬铝
黄铜
焊锡
常见的合金
阅读课本P6表8-2，你有何发现？
合金具有更加广泛的用途
合金的组成成分不同，性能也会发生相应改变。
合金的强度和硬度一般比组成它们的纯金属更高，抗腐蚀性能也更好。
自主阅读
资料卡片
资料1：哈德菲尔德，英国冶金学家。 1882年，他制造出含锰量12%~ 14%的高锰耐磨钢。高锰钢铁轨可以连续使用
22年。
资料2：高铁钢轨的选用，除了要考虑强度、
耐磨性外，还要考虑抗拉强度，目前时速200~ 250 km客货运高铁使用的钢轨牌号为U75VG(钢中添加了钒元素)。
高铁轨道用的材料是
高锰钢和钒钢
根据以下资料你能得到哪些信息？
铝 铝合金 铝合金 高锰钢
现象
硬度
结论
在铝片上留下刻痕
铝合金硬度比铝大
在铝合金片上留下刻痕
高锰钢硬度比铝合金大
合金的硬度大于其组分金属，不同合金硬度不同
铝合金相对质软,不耐磨,不能作为轨道材料。
铝和铝合金、铝合金和高锰钢硬度的比较(划痕法)
合金的强度和硬度一般比组成他们的纯金属更高，抗腐蚀性能也更好。
为什么不用铝合金作为高铁轨道材料？
选择高铁车体金属材料
用铝合金，因为质量轻，硬度大，可塑性强，美观。
用铁合金，因为铁合金来源广，硬度大，价格便宜。
用钛合金，熔点高，密度小，可塑性好，易加工，耐腐蚀，机械性能好。
任 务 2
结合前面所学内容并阅读课本P7，说说哪种金属材料适合作高铁车体？主要考虑的因素是什么？
来源广，虽然可以作普通火车的车体，但密度相对较大
铁合金
钛合金
铝合金
熔点高、密度小、可塑性好、易加工、机械性能好，但价格高
熔点高，密度小，可塑性好，易加工，耐腐蚀，机械性能好，是高铁车体的理想材料
目前，一个高铁的
车厢使用铝合金大约10 t，比全部使用钢材减轻30%~50%
选择高铁其他部位的金属材料
资料卡片
焊料熔点比被焊接金属低，焊料熔化时，在被焊接金属不熔化的条件下能润湿被焊金属的表面，并在接触面处形成合金层与被焊金属连接到一起，高铁电子组件中焊料不可或缺。
任 务 3
合金的熔点低于组成它们的金属的熔点，不同种类合金熔点不同
阅读课本P5，你能得到什么启示呢？
伍德合金（铅、铋、锡和镉组成的合金）可以实现连接铁轨，但使用温度不能超过70 ℃。焊锡（锡铅合金）是常用焊料，伍德合金常用作保险丝。
小贴士
自主阅读
纯金属或合金 纯金属 合金
铅 铋 锡 镉 焊锡 伍德合金
熔点/℃ 327 271 232 321 183 70
启示
资料卡片
铁路的电气化对铜和铜合金的需要量很大，每公里的架空导线需要2吨以上的异形铜线，列车上电机、整流器以及控制、制动、电气和信号系统等都依靠铜和铜合金来工作。据《电网设备金属材料监督与检测》一书提供的资料，同为标称120mm2截面的导体，在20℃时，铜导体的电阻不大于0.158Ω/km，而铝合金导体为0.249Ω/km。可见，在相同截面下铝合金电缆的线损率要明显高于铜电缆。
高铁传输系统中电传输材料选择铜合金
根据以下材料你能得到哪些信息？
与组成它们的纯金属相比
与组成它们的纯金属相比
合金的性能
强度和硬度更高
抗腐蚀性更强
熔点低
三增
一降
合金的性能
总结
了解未来高铁材料
任 务 4
未 来 高 铁
更轻
强度更高
更耐用
更便宜
思考：未来高铁材料发展趋势？
回顾中国高铁45年发展史
知识拓展
高铁
建设
中金
属材
料的
选择
性质
纯金属
合金
有光泽、导电性、导热性、延展性
共性
特性
强度高、硬度大、熔点低、耐腐蚀
资源
价格
美观
组成不同、性质不同
决定
利用
高铁
轨道：铁合金
车身：铝合金
电传输：铜合金
电子元件：焊锡
课堂小结
其他因素
1.(2023山西)中国国家博物馆珍藏着一枚“国玺”，即“中華人民共和國中央人民政府之印”，代表着熠熠生辉的共和国符号。她由铜胎铸字，不易变形。选用这种材料作为印章胎体最大的优点是(　　)
A.硬度较大
B.熔点较高
C.不溶于水
D.形状美观
A
随堂练习
2. 日常生活用品很多是由金属材料制成的。
(1)贴金技艺是中华民族民间传统工艺的瑰宝，能够将黄金锤成极薄的薄片是因为金具有良好的_____性。(2)我国早在商代，就有用铁制造的兵器，现在铁制品更是具有广泛的用途。例如，铁制成炊具是因为其具有良好的_____性。(3)铜是人类最早使用的金属之一，我们现在又将铜制成导线，这是利用了铜的___ _性；银是导电性最好的金属，但我们通常不用银制作导线，原因是 _______。
延展
导热
导电
成本高
3.为探究黄铜(铜锌合金)和铜性能上的差异，某实验小组进行如下实验。根据实验现象得出的结论是_________________________。
用铜片刻划黄铜片，
黄铜片表面无划痕
用黄铜片刻划铜片，
铜片表面出现划痕
合金的硬度大于其组分金属

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