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第三单元 金属材料的性能及应用
专题9　金属与人类文明
课程标准 核心素养目标
1.知道金属材料等常见材料类型，结合实例认识金属材料的组成、性能与应用的联系。
2．了解合金的概念，知道常见几种合金的性能及应用。
3．知道常见无机非金属材料的主要成分及性能。 1.(宏观辨识与微观探析)能从合金结构与组成的角度理解合金的特殊性能。
2．(科学态度与社会责任)能列举常见合金的组成和性能，能科学、合理地选择和使用金属材料。
一、金属材料的性能
金属材料在工农业生产和社会生活的各个方面应用广泛。从使用的要求和性能看，可以从以下几个方面来分析。
金属
材料 使用要求 材料性能
会受到多种力的作用 体现出一些 ，如
、 、 等
力学性能
延展性
硬度
塑性
金属
材料 使用要求 材料性能
起到 的作用，而且能够在一定温度范围内稳定工作 与金属材料的 、 、
、导热性等物理性能密切相关
在使用过程中不可避免地会暴露在空气中，或者接触到一些化学药品 具有 、 等化学性能
从金属原材料到最后的金属产品，加工成型这一步骤必不可少 、 、
等工艺性能
导热和导电
密度
熔点
导电性
抗氧化性
耐酸碱性
可铸性
可锻性
切削加
工性
二、合金及其应用
1．合金
概念 将两种或两种以上的 (或 )共熔，可制备出特殊的金属材料，这种材料叫作合金
性能 硬度 硬度一般 它的组分金属
熔点 熔点一般 它的组分金属
与纯金属材料相比，合金具有优良的物理、化学和机械性能
举例 在焊接电子元件中使用的 是锡和铅的合金，生铁和钢都是铁和碳的合金
金属
金属与非金属
大于
低于
焊锡
2.常见的合金
(1)铝合金
将 、 、 等加到铝中，得到强度比铝高得多的合金，人们将这种新型的合金称为硬铝。
铝合金成本低，性能优异，密度 、强度 、塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性，抗腐蚀能力强，装饰效果好，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中都得到广泛的应用。
铜
镁
锰
小
大
(2)武德合金
由锡(熔点232 ℃)、铋(熔点271 ℃)、镉(熔点321 ℃)和铅(熔点327 ℃)等金属按照一定的质量比制成的武德合金熔点只有67 ℃，它可以用来做电器、火灾报警等装置中的保险丝。
(3)镍铬铝铁、镍铬铝铜等合金具有很高的电阻率，可用于制备电路中的精密元件。
(4)铁合金
不锈钢中除了铁元素外，主要的合金元素是 (占12%～32%)。铬具有很强的耐腐蚀性，在空气中表面会生成一层致密的氧化物，防止
铬
内部进一步被氧化，从而保护了内层金属。不锈钢常用于制造医疗器材、厨房用具和餐具，以及地铁列车的车体等。
(5)钛合金
①钛合金是一种新型的金属材料，其强度高，密度小，耐热性好，易于加工，抗腐蚀性强，远优于不锈钢，即使将它们放入海水中数年，取出后仍然光亮如新。
②应用
钛和钛合金被认为是21世纪的重要金属材料，被广泛应用于医疗、火箭、导弹、航天飞机、船舶、化工和通信设备等领域。
(6)铜合金
[微点拨](1)合金的性质不是各成分金属的性质之和。合金具有许多良好的物理、化学和机械性能，在许多方面不同于各成分金属，不是简单加和；但在化学性质上，一般认为合金体现的是各成分金属的化学性质。
(2)并非所有的金属都能形成合金，两种金属形成合金，其前提是两种金属在同一温度范围内都能熔化，若一种金属的熔点大于另一种金属的沸点，则二者不能形成合金。
(3)合金一定是混合物，没有固定的熔点。
(4)常温下，多数合金是固体，但钠钾合金是液体。
三、无机非金属材料
1．传统无机非金属材料
人类早期使用的石器工具、 ，现代社会广泛利用的 、 。
陶瓷器皿
水泥
玻璃
2．半导体材料
硅的 介于 之间，是一种重要的 ，被广泛用于电子工业的各个领域。工业上利用 可以制得高纯度的硅。
3．光导纤维
光导纤维的主要成分是 ，可用来制造通讯光缆，用于光纤通信或传送高强度的激光等。光导纤维导光能力非常强，一条光缆由多条光导纤维组成，因此可以利用光缆传输大量的信息。用光缆代替普通的金属通信电缆可以节约大量有色金属。
导电性
导体和绝缘体
半导体材料
二氧化硅
二氧化硅
4．新型陶瓷材料
新型陶瓷分为 和 两大类。 具有机械功能、热功能和部分化学功能，如 等，高温结构陶瓷主要有高温氧化物(如氧化铝陶瓷)和高温非氧化物(如氮化硅陶瓷)两大类。 具有光、电、磁、化学和生物等方面的特殊功能，如 等，压电陶瓷主要成分是钛酸钡和钛酸铅。
结构陶瓷
功能陶瓷
结构陶瓷
高温结构陶瓷
功能陶瓷
压电陶瓷
微诊断（判断正误)
(1)用铜制作导线，是因为铜具有良好的导电性和导热性 (　　　　)
(2)合金一定是不同金属熔合而成的具有金属特性的化合物(　　　　)
(3)生铁的熔点比纯铁低，但机械强度和硬度比纯铁高(　　　　)
(4)我国最早使用的合金是生铁(　　　　)
×
×
√
×
探究　合金的性能
我国“神舟号”航天飞船的许多部件是用铝锂合金制造的。
[问题探究]
(1)查阅资料，分析铝锂合金是怎么制取的？
提示：目前生产铝锂合金的方法多为掺和法。这种方法需先电解制取出高纯金属锂，然后再和铝熔炼铸成铝锂合金。此工艺流程长，锂回收率低，而且由于锂和铝密度小(锂密度为0.534 g·cm-3，铝密度为2.70 g·cm-3)、熔点低，很容易团聚在一块，很难制取成分稳定的铝锂合金。
除了用掺和法，还可以用直接电解法一步制取铝锂母合金，再利用此母合金与铝熔炼，铸成所需成分的铝锂合金。目前铝锂合金的生产多采用熔盐电解法。此法是以KCl LiCl为基本电解质体系，以液态铝或固态铝为电解槽的阴极，以LiCl为原料，在直流电的作用下，阳极产生氯气，阴极产生铝锂合金。
(2)任何金属之间都能制取合金吗？
提示：不是的。合金是两种或两种以上的金属(或金属与非金属)共熔而成的物质。合金不是金属的简单融合，必须是两种金属的熔点在同一温度范围内，这样才能融合成合金。
1．生铁和钢的对比
合金 生铁 钢
含碳量 2%～4.3% 0.03%～2%
性能 硬度大、抗压，性脆、可以铸造成型 有良好的延展性，机械性能好，可以锻轧和铸造
用途 制造机座、管道等 制造机械和交通工具等
2.钢的分类
(1)碳素钢
名称 含碳量 性能及用途
低碳钢 低于0.25% 韧性、焊接性好，但强度小，用于制造钢板、钢丝和钢管等
中碳钢 0.25%～0．6% 强度大，韧性及加工性好，用于制造钢轨、车轮和建材等
高碳钢 高于0.6% 硬而脆，热处理后弹性好，用于制造器械、弹簧和刀具等
(2)合金钢
也叫特种钢，是在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化，从而使钢具有各种特殊性能，如强度、硬度大，可塑性、韧性好，耐磨，耐腐蚀等。
名称 主要合金元素 主要特性 主要用途
不锈钢 铬、镍 比较稳定，不易生锈，具有很强的抗腐蚀能力 医疗器材、厨房用具和餐具、地铁列车的车体材质等
名称 主要合金元素 主要特性 主要用途
超级钢 Mn、C、Al、V 强度很大，能够实现钢板的轻薄化 汽车、航空和航天等领域
锰钢 锰 韧性好，硬度大 钢轨、轴承、钢模、挖掘机铲斗、坦克装甲
硅钢 硅 导磁性好 变压器、发电机和电动机中的铁芯
钨钢 钨 耐高温、硬度大 刀具
3.铝合金
制取 向铝中加入少量的Cu、Mg、Si、Mn、Zn及稀土元素等
性能 密度小、强度大、塑性好、具有较强的抗腐蚀能力等
用途 航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业
4.新型合金
(1)新型储氢合金材料的研究和开发将为氢气作为能源的实际应用起到重要的推动作用。
(2)钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于航空航天、生物工程和电子工业等领域。
A
[例] 钛和钛的合金被誉为“21世纪最有发展前景的金属材料”，它们具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工，尤其是钛合金与人体器官具有很好的生物相容性。根据它们的主要性能，下列用途不切合实际的是 (　　)
A．用来做保险丝
B．用于制造航天飞机
C．用来制造人造骨
D．用于家庭装修，做钛合金装饰门
解析：
由于其熔点高，故不适合用来做保险丝，A错误；钛和钛的合金密度小、可塑性好，因此可用于制造航天飞机，B正确；由于钛和钛合金与人体器官具有很好的生物相容性，可与人体的组织相容，不引起排异反应，因此可以用来制造人造骨，C正确；由于其密度小、可塑性好、易于加工，因此可用于家庭装修，做钛合金装饰门，D正确。
某学习小组用如图所示装置测定铝镁合金中铝的质量分数和铝的相对原子质量。
(1)A中试剂为______________。
(2)实验前，先将铝镁合金在稀酸中浸泡片刻，其目的是_____________
___________________________________________________________。
(3)B中发生反应的化学方程式为__________________________________。
(4)若实验用的铝镁合金的质量为a g，测得氢气体积为b mL(已换算为标准状况)，B中剩余固体的质量为c g，则铝的相对原子质量可表示为__________________。
(5)实验过程中，若未洗涤过滤所得的不溶物，则测得的铝的质量分数将__________(填“偏大”“偏小”或“不受影响”)。
解析：
D
1．下列物质不属于合金的是 (　　)
A．硬铝 B．黄铜
C．钢铁 D．水银
解析：
硬铝是铝、铜、镁、锰等形成的合金；黄铜是铜锌合金；钢是铁碳合金；水银是纯净的汞单质。
D
2．(2025·广东卷)中华传统技艺，凸显人民智慧。下列选项所涉及材料的主要成分属于合金的是 (　　)
A.纸哪吒 B.石印章 C.木活字 D.不锈钢针
解析：
纸哪吒所用的材料为纸，其主要成分为纤维素，属于有机化合物，A不符合题意；石印章的主要成分为硅酸盐，属于无机化合物，B不符合题意；木活字的主要原料为木材，其主要成分为纤维素，属于有机化合物，C不符合题意；不锈钢针的主要成分为含铁、铬等元素的合金，D符合题意。
D
3．根据不同部位工作条件的不同，航天飞机使用了多种防热材料。例如，机身和机翼下表面使用高温陶瓷瓦。下列有关新型陶瓷材料的叙述错误的是 (　　)
A．高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料，可以作为高级耐火材料
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，它是结构陶瓷
C．氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料，可用于制造陶瓷发动机的受热面
D．新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点，但是强度比较差
解析：
高温结构陶瓷包括Si3N4陶瓷、SiC陶瓷等，属于新型无机非金属材料，可以作为高级耐火材料，A正确；氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，是高温结构陶瓷，B正确；氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料，可用于制造陶瓷发动机的受热面，C正确；新型无机非金属材料具有耐高温、耐冲击、电学特性、光学特性、生物功能等优点，克服了传统无机非金属材料的缺点，具有较高的强度和耐磨性，D错误。
4．根据你学过的有关金属的知识，回答下列问题：
(1)铜钱在我国历史上曾经是一种广泛流通的货币，铜常用于制造货币的原因可能是______(填标号)。
A．铜的熔点不是太高，易于冶炼，易于铸造成型
B．铜的性质不活泼，不易被腐蚀
C．我国较早地掌握了湿法炼铜的技术
D．自然界有大量的游离态的铜
(2)钢铁制品的使用更为广泛，但是铁制品易生锈，铁锈的主要成分是_______(填名称)，铁的氧化物常见的还有______、_______(填化学式)。
(3)铝制品因为表面易形成致密的氧化铝薄膜而经久耐用，但是该氧化膜易被酸、碱破坏，若使氧化铝与氢氧化钠溶液作用，反应的化学方程式为_______________________________________________________
___________________________________________。
(4)一位收藏者有一枚表面是黑色，且有少量绿色锈状物的货币，这肯定是____币，黑色物质是________(填名称)，形成这种物质的化学方程式为________________________，绿色物质是____________(填化学式)，这枚金属币的真面目为____色。另外一枚是闪闪发光的黄色金属币，
它肯定是____币，表面一直未被氧化的原因是_____________________
___________________________________________________。
(5)不法分子有时用铜锌合金制成假金币行骗。下列方法能有效鉴别其真假的是________(填标号)。
A．观察颜色
B．查看图案
C．用手掂量轻重
D．滴一滴硝酸在币的表面，观察现象
答案：(1)ABC　(2)氧化铁　FeO　Fe3O4
(3)Al2O3＋2NaOH＋3H2O===2Na[Al(OH)4]　(4)铜　氧化铜　2Cu＋O2===2CuO　Cu2(OH)2CO3　紫红　金　金的化学性质不活泼，不易被氧化　(5)D
解析：
(1)铜钱作为货币，首先应易得，再者不容易被腐蚀。
(2)铁锈主要成分为氧化铁，常见铁的氧化物还有FeO和Fe3O4。
(4)铜与氧气反应生成黑色氧化铜，铜在空气中“生锈”的反应为2Cu＋O2＋CO2＋H2O===Cu2(OH)2CO3(绿色)；金的化学性质不活泼，不易与O2反应。
(5)有些假金币外形图案、颜色与真金币相近，密度与真金币相当，用手掂量不出来，假金币中的Zn、Cu均可与HNO3反应产生大量气泡，而Au不与HNO3反应。
5．青少年一定要爱护眼睛，在光线不足时看书、写字要用照明工具。如图所示是一种照明用台灯，请回答下列问题：
(1)图中表示的各部件中，用金属材料制成的是________(填标号，任选一种)。
(2)金属及金属材料因有很多优良的性能而被广泛应用。灯光后面的反光片为铝箔，铝块能制成铝箔是利用了铝的________性。
(3)铝制品比铁制品耐用，其原因是______________________________
___________________________________________________________。
(4)比较铝和铁的金属活动性强弱：________________________(用一个化学方程式表示)。
答案：(1)a(或b或e)　(2)延展　(3)常温下，铝与氧气反应，表面生成致密的氧化铝薄膜，阻止铝进一步被氧化　(4)2Al＋3FeSO4===3Fe＋Al2(SO4)3
解析：
(1)铁螺丝钉、铝箔反光片、铜质插头都属于金属材料。
(2)利用金属铝具有良好的延展性可把金属铝制成片。
(3)铝制品常温下，与氧气反应，表面生成致密的氧化铝薄膜，阻止铝进一步被氧化，故比铁制品耐腐蚀。
(4)比较铝和铁的金属活动性，可以采用金属与盐溶液反应的方法，将铝片插入硫酸亚铁溶液中，化学方程式为2Al＋3FeSO4===3Fe＋Al2(SO4)3。

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