学生支持材料-用途广泛的金属材料

1、金属材料百科金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳 2%4%的铸铁，含碳小于 2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等，有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐

2、磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。分类方法编辑按化学成分分类可分为碳素钢、低合金钢和合金钢。按主要质量等级分类 普通碳素钢、优质碳素钢和特殊质量碳素钢； 普通低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢； 普通合金钢、优质合金钢和特殊质量合金钢。金属材料的发展前景金属材料，尤其是新型金属材料在目前的情况下，应用较为广泛，前景依然不错，这种状况将持续很长时间，非金属材料的研究进展将决定这种状态的时间长短。一、镁及镁合金镁由于优良的物理性能和机械加工性能，丰富的蕴藏量，已经被业内公认为最有前途的轻量化材料及21世纪的绿色金属材料，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。 1、汽车、摩

3、托车等交通类产品用镁合金 20世纪70年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制，1993-1994年欧洲汽车制造商提出“3公升汽油轿车”的新概念。美国提出了“PNGV”（新一代交通工具）的合作计划。其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3公升的轿车，且整车至少80%以上的部件可以回收。这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。据测算，汽车自重减轻10%，其燃油效率可提高5.5%，如果每辆汽车能使用70公斤镁，CO的年排放量就能减少30%以上。镁作为实际应用中最轻的金属结构材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到人

4、们的重视。世界各大汽车公司已经将镁合金制造零件作为重要发展方向。在欧美国家中，各国的汽车厂商正极力争取采用镁合金零件的多少作为自身车辆领先的标志，大众、奥迪、菲亚特汽车公司纷纷使用镁合金。90年代初期，欧美小汽车上应用镁合金的重量，平均每车约1公斤，至2000年已达到3.6公斤左右，目前欧美各主要车厂都在规划在今后1520年的期间，将每车的镁合金用量上升至100120公斤。行家预测，在未来的7-8年中，欧洲汽车用镁将占总消耗量的14%，预计今后将以15%的速度递增，2005年将达到20万吨。 2、电子及家电用镁合金汽车行业对镁合金的大量需求，推动了镁合金生产技术的多项突破，镁合金的使用成本也大

5、幅度下降，从而促进了镁合金在计算机、通讯、仪器仪表、家电、医疗、轻工等行业的应用发展。其中，镁合金应用发展最快的是电子信息和仪器仪表行业。在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁合金成了厂家的最佳选择。另外，镁合金外壳可使产品更豪华、美观。在电子信息和仪器仪表行业的镁合金制品的单位重量和尺寸不如汽车零部件，但它的数量大、覆盖面广，其用量也是巨大的。所以，近几年电子信息行业镁合金的消耗量急剧增加，成为拉动全球镁消耗量增加的另一重要因素。 3、其它应用领域其它如铝合金添加剂、镁牺牲阳极和型材用镁合金等。镁牺牲阳极作为有效的防止金属腐蚀的方法之一，广泛应用于长距离输送的

6、地下铁制管道和石油储罐。目前，作为镁牺牲阳极的镁合金有34万吨/年的市场需求量，且每年以20%的速度增长。镁合金型材、管材，以前主要用于航空航天等尖端或国防领域。近几年由于镁合金生产能力和技术水平的提高，其生产成本已下降到与铝合金相当的程度，极大地刺激了其在民用领域的应用，如用做自行车架、轮椅、康复和医疗器械及健身器材。二、钛及钛合金钛及钛合金具有密度小、比强度高和耐蚀性好等优良特性。随着国民经济及国防工业的发展，钛日渐被人们普遍认识，广泛地应用于汽车、电子、化工、航空、航天、兵器等领域。从2002年世界主要钛生产国的产量及所占比例来看，美国、独联体、日本占有重要地位。美国占28.3%，独联体

7、占29.7%，日本占25.3%，三地的合计产量占全球总产量的83%。从钛的应用领域来看，以美国、日本为例，美国钛的最大应用领域是航空航天，占到总消费量的58.5%；日本则是火力、核电厂，及板式热交换器，两者合计占总消费量的41.9%。从下表可以看出，与美国相比，日本在更多方面使用钛。在体育用品方面，除了在高尔夫球杆头上使用钛以外，还有短距离用跑鞋的销钉、羽毛球拍及冰杖等登山器具、滑雪滑冰用的冰刀刃、自行车架、轮椅等等。美日两国在化学工业及油气田钻探装置上的用钛量都在增加。在计算机磁盘(真空镀膜)、纤维纺织机的框架、餐具、帐篷用具、拐杖和照相机等方面都巧妙地使用钛。三、铝及铝合金铝合金具有密度小

8、、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。随着电力工业的发展和冶炼技术的突破，其性价比大为提高，目前交通运输业已成为铝合金材料的第一大用户。在世界范围内，交通运输业已成了铝材的第一大用户，2001年交通运输业消耗铝占全世界原铝产量的27.6%，有些国家达30%以上。随着交通运输业现代化进程的加快，铝及铝合金材料在航空航天和汽车三大领域的应用日益增加。1、铝合金材料在航空航天中的应用铝合金是亚音速飞机的主要用材，目前民用飞机结构上的用量为70%80%，其中仅铝合金铆钉一项每架飞机就有40150万个；据波音飞机公司的统

9、计，制造各类民用飞机31.6万架，共用铝材7100千吨，平均每架用铝22吨。铝制零部件在先进军用飞机中的比例虽低一些，但仍占其自身总质量的40%60%。据预测，2010年全球航空航天铝材的消费量可达60万吨，年平均增长率约为4.5%。航空航天铝材的价格比普通民用铝材的价格高得多，为后者的18倍左右，是一个非常重要的市场，而其政治与军事意义则尤为重大。2002年美国航空航天铝材的价格为3300044100美元/吨，而普通民用铝材的价格只不过22003500美元/吨。美国是世界航空航天工业巨头，其用铝约占全球此领域用铝量的50%强，其他国家如法国、俄罗斯、中国、日本、巴西、加拿大、英国等的用量为5

10、0%弱。2002年，全世界航空航天用铝量约42万吨，其中美国的用量为21.4万吨。美国铝业公司（Alcoa）是世界航空航天铝材的主要供应者，占全球总供应量的35%以上，为了保持其在该领域的世界霸主地位，获得更大的利润，经过精心的全面的调查研究与策划后，于2002年提出了一个名为“20-20攻关计划（20-20Initiative）”的计划。计划内容与目标包括：在20年时间内，开发一批新的高性能铝合金，改进铝制零部件的设计，采用高技术制造工艺，使铝制零部件的质量下降20%，使铝制零部件的制造成本与维护费用减少20%。铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的

11、超塑成型性能，用其取代常规的铝合金可使构件质量减轻15%，刚度提高15%20%，被认为是航空航天工业中的理想结构材料。在航天领域，铝锂合金己在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。铝锂合金作为储箱、仪器舱等结构材料具有较大优势。国外预测，含钪铝-镁合金及其它系列的铝合金有可能成为下一代飞机的重要结构材料。TiAl基合金的板材除了有望直接用作结构材料外，还可以用作超塑性成型的预成型材料，并用于制作近净成型航空、航天发动机的零部件及超高速飞行器的翼、壳体等。2、铝合金在汽车中的应用铝及铝合金是最早用于汽车制造的轻质金属材料，也是工程材料中最经济实用、最有竞争力的汽车用轻金属材料，从生产成本、零件质量

12、、材料利用率等方面看，具有多种优势。汽车用铝合金材料的3/4为铸造铝合金，主要是发动机部件，传动系部件，底盘行走系零部件。变形铝合金主要用于热交换器系统，车身系部件。预计10年内95%的气缸盖和50%的轿车发动机气缸体将用铝合金制造，轻型货车目标分别达到60%和25%水平。铝基复合材料在某些范围内替代铝合金、钢和陶瓷等传统的汽车材料，用于汽车关键零件，特别是高速运动零件，对减少质量、减少运动惯性、降低油耗、改善排放和提高汽车综合性能等具有非常积极的作用，在汽车领域有着良好的应用前景。泡沫铝材被认为是一种大有前途的未来汽车的良好材料。泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板，即：芯层为泡沫

13、铝或泡沫铝合金，上下层为铝板或其他金属薄板。德国卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车(Ghiaroadster)的顶盖板的刚度，比原来的钢构件高7倍左右，而其质量却比钢件轻25%。据测算，汽车车身构件约有20%可用泡沫铝材制造，一辆中型轿车如采用泡沫铝材制造，某些零件可减重27.2kg左右，既可节约能源又可减轻对环境的污染。采用泡沫铝材结构，可大大简化结构系统，零部件数至少可减少1/3。根据国际铝业协会（IAI）统计数字，1991-1999年铝及铝合金在汽车上的应用翻了一番，预计到2005年还将再翻一番。预计2005年美国汽车用铝及铝合金将超过130kg/辆，西欧将达到119k

14、g/辆。铝及铝合金性质的探究黄陂六中 龚小玖教学目的：1探究铝的化学性质；2了解铝在生产、生活中的运用，进一步认识铝与生产和生活的关系，通过探究实验提高实验操作能力。教学重点：铝的化学性质教学难点：铝跟强碱溶液的反应。教学方法：联想对比、合作探究教学过程：【情景创设】法国国王拿破仑在宴请贵宾时，用的不是金杯，也不是银杯，而是铝制酒杯！说明十九世纪铝的地位。而今，铝早就走进了寻常百姓家。那么铝有什么样的化学性质才造成人类有这样的应用过程呢？今天我们来探究铝的性质。【学生活动】先将活动地点、活动时间、活动情况作简要表述，然后将记录内容投影出来（如下表）。观察对象现 象初步结论铁门铁窗锈迹斑斑，锈蚀

15、严重，表皮脱落，裸露出来的内层铁也被腐蚀了铁在空气中生锈腐蚀铝合金门窗表面平整光滑，无生锈腐蚀现象铝合金没有发生生锈腐蚀【提出问题】根据金属活动顺序表，铝较活泼，但是日常生活中的铝制品、铝制炊具却能表现出良好的抗腐蚀性能？能否设计一个简单的实验，确认铝在空气中是否被氧气氧化？【活动探究】1用砂纸打磨铝条表面，观察表面颜色变化。2将铝条在空气中放置一会儿，观察表面颜色变化。提出问题 为何铝条在打磨前后或放置前后颜色会有变化？在打磨后铝接触到什么物质而发生反应？生活经验可知，铁在空气中被氧化，表面生成Fe2O3而生锈腐蚀，且生锈后内部的铁被腐蚀的程度和速度都会越来越严重。那么，铝在空气中同样也被氧

16、化且生成了Al2O3，铝为何没有继续被氧化而继续腐蚀呢？（引导学生通过对比、交流与讨论、归纳，得出“铝被空气中的氧气氧化后，表面生成一层致密的氧化膜Al2O3而阻碍铝被继续氧化”的结论。）【归纳小结，板书】一、与氧气反应：4Al+3O2=2Al2O3【思考与讨论】金属铁和铝在空气中的不同腐蚀情况，是否说明铝的金属活动性比铁弱？【解 释】 只说明Al2O3的结构比Fe2O3紧密牢固得多，起了保护内层的作用。铝表面有了这层保护膜，可以阻止铝进一步被氧化腐蚀。【思考与讨论】我们生活中有哪些铝制品？怎样利用保护膜延长铝制品的使用寿命？【讨论与交流】不能用钢丝球等硬物擦洗铝制品表面，不能长时间地存放酸性

17、或碱性或咸的食物等。（引导学生回忆：Al2O3有两性）【过 渡】 Al在金属活动顺序表中排在H前，故Al能与稀盐酸反应。演示实验 在投影仪上放一表面皿，并盛少量稀盐酸，用砂纸擦掉铝箔表面的氧化膜，投入表面皿中，将表面皿投影屏幕。（学生观察并描述实验现象）【板 书】二、与盐酸反应 2Al+6HCl=2AlCl3+3H2 2Al +6H+=2Al3+3H2【过 渡】铝与强氧化性的酸（如浓硫酸或浓硝酸）反应的情况又是如何的呢？【观看资料】实际生产中，用铝槽车运输浓硫酸、浓硝酸。【讨论问题】常温下，为何可以用铝槽车来储存、运输浓硫酸或浓硝酸？（学生交流与讨论）【教师点拨】资料表明，铝与浓硫酸或浓硝酸接

18、触时，铝的表面也会形成一层致密的氧化膜Al2O3，阻碍了铝与酸的接触，从而无法进一步反应。【提出问题】如何用实验验证Al遇浓硫酸、浓硝酸表面生成一层致密的氧化膜Al2O3。（学生设计实验方案，并交流讨论，共同确定最佳方案。）【活动与探究】完成下述实验，交流与讨论并得出结论：步骤学 生 探 究 活 动1取一段铝条打磨去掉表面的氧化物。将这段铝条浸入浓硫酸或浓硝酸中2取出铝条用水洗净3将这段铝条浸入CuSO4溶液中4另取一段铝条打磨去掉表面的氧化膜5将铝条浸入CuSO4溶液中6对比2段铝条反应现象的不同7讨论、解释原因8得出探究结论【板书】 三、铝遇到冷的浓硝酸、浓硫酸会发生“钝化”。【思考与交流

19、】1铝与浓硫酸或浓硝酸有没有发生化学反应？2铝和浓硫酸反应、铝和稀硫酸反应，反应实质是否相同？3铝和浓硝酸反应、铝和稀硝酸反应，反应实质是否相同？4铝在热的浓硫酸或浓硝酸也会“钝化”吗？（引导学生通过交流，得出上述问题的答案）【思考与交流】 通过前一节课的学习，我们知道了Al2O3和Al(OH)3的两性，刚才我们又探究了铝与氧气的反应和浓硫酸、浓硝酸的钝化作用。那么，铝是否也能与碱溶液发生反应呢？ 【教师点拨】1取一段铝条，打磨去掉表面的氧化物。2将打磨过的铝片投入到6mol·L-1的NaOH溶液中。3用燃着的火柴来检验生成的气体。【提 示】：做实验时应注意的事项：1实验中取用铝片要用镊子，不能直接用手拿。2 NaOH溶液有强烈的腐蚀性，要防止其洒落或沾在皮肤上。（实验与观察、记录现象并尝试加以解