金屬材料化學市公開課金獎市賽課一等獎課件

第五章金屬材料化學第1頁第1頁

由金屬或由以金屬元素為主形成含有普通金屬特性材料稱為金屬材料。金屬單質合金由一個金屬與其它金屬或非金屬融合在一起形成含有金屬特性物質。如:鋼、鋁合金金屬材料第2頁第2頁5.1金屬概論

金屬存在金屬分類金屬性質第3頁第3頁

1金屬存在

在自然界中，除金、銀、鉑等少數(shù)金屬以單質形式存在外，大多數(shù)金屬以各種礦物形式存在。

金屬提煉預處理精煉冶煉第4頁第4頁2.金屬分類（1）按化學活潑性分類活潑金屬(s區(qū)、IIIB族)中檔活潑金屬(d區(qū)、ds區(qū)、p區(qū))不活潑金屬(d區(qū))第5頁第5頁（2）工程技術分類

輕金屬鐵、錳、鉻及其合金

黑色金屬有色金屬密度小于5g·cm-3金屬重金屬密度不小于5g·cm-3金屬貴金屬地殼中含量少，開采提取困難,

價格貴金屬包括金、銀和鉑族元素。稀有金屬在自然界分布較少，發(fā)覺較遲，提取難，工業(yè)應用較晚。放射性金屬原子核能自發(fā)放射出射線金屬。第6頁第6頁3.金屬性質(1)物理性質①光澤大多數(shù)金屬呈銀白色光澤。②密度除鋰、鈉、鉀比水輕外，其余金屬密度都不小于1g·

cm-3。最輕金屬是鋰，最重金屬是鋨。第7頁第7頁③熔點S區(qū)金屬原子半徑較大，多數(shù)熔點較低。d區(qū)金屬熔點大都較高。

VB-VIIB族金屬(除錳外)是高熔點金屬。VB-VIIB族金屬熔點較高與它們價電子較多且原子半徑較小相關；IIB金屬熔點較低與其無未成對電子相關；P區(qū)金屬則是它們晶體結構由原子晶體向分子晶體逐步轉變趨勢。熔點最高金屬是鎢，熔點最低金屬是汞。IIB族和P區(qū)金屬是低熔點金屬。第8頁第8頁④導電性金屬普通是良導體，尤其ds區(qū)銀、銅和p區(qū)鋁。金屬導電性普通隨溫度升高而下降，雜質對金屬導電性能力影響很大，普通說來，金屬純度越高，導電性越好。⑤導熱性導電性好金屬普通導熱性能也較好。⑥延展性延展金屬時，即使發(fā)生了變形，但并不破壞金屬鍵，故不發(fā)生斷裂。第9頁第9頁⑦熱膨脹性如鎵、銻：“熱縮冷脹”⑧磁性鐵磁材料順磁材料逆磁材料鐵、鈷、鎳等錳、鉻、鉬、鎢等銅、錫、鉛、鋅等居里點鐵磁材料加熱到某一溫度時失去磁性，此點稱為居里點。絕大多數(shù)都是熱脹冷縮，但少數(shù)金屬例外。第10頁第10頁

金屬單質化學性質主要表現(xiàn)為還原性。M→Mn++ne-(2)化學性質①金屬與氧(空氣)作用

絕大多數(shù)金屬都能與氧作用。金屬性越強，與氧反應越激烈。有氧化物結構疏松不能制止氧化反應繼續(xù)進行，而有結構非常致密，有效預防金屬進一步氧化而使金屬鈍化。通式mM+O2→MmOnn2第11頁第11頁②金屬與水作用

金屬與水作用難易程度與兩個原因相關：

a.金屬電極電勢b.反應產(chǎn)物性質M(s)+nH2O(l)→M(OH)n(s)

+H2(g)

n2周期系主族中活潑金屬都能與水作用，反應激烈程度符合周期中金屬活潑性自上而下、自右而左增強規(guī)律。第12頁第12頁③金屬與酸、堿作用金屬與酸反應用金屬活動序或電極電勢來判斷。a.金屬活動序與周期系中元素周期性遞變規(guī)律不完全一致。b.由于鈍化膜，有些活潑金屬難溶于濃硫酸和濃硝酸。金屬能否與強堿反應，主要取決于兩個原因：a.在強堿介質中金屬能否與水作用。b.生成氫氧化物是否可溶于堿（既生成氫氧化物是否含有兩性）。第13頁第13頁5.2周期系中金屬元素主族金屬元素過渡金屬元素稀土金屬元素第14頁第14頁1主族金屬元素(1)s區(qū)金屬元素外層電子構型ns1~2ⅠA堿金屬

LiNaKRbCs

Fr

氧化數(shù)+1ⅡA堿土金屬

BeMgCaSrBa

Ra

氧化數(shù)+2第15頁第15頁GeSnSbBi出現(xiàn)過渡型晶體結構

（2）p區(qū)金屬元素外層電子構型ⅢAAlGaInTlⅣAGeSnPbⅤASbBiⅥA

Pons2np1~4第16頁第16頁2.過渡金屬元素過渡元素:過渡元素,分別位于第4、5、6周期中部.由于同周期元素性質相近，又將過渡元素分為三個系列:周期系中d和ds區(qū)元素(不包括鑭系和錒系元素)

第一過渡系列ScTiVCrMnFeCoNiCuZn第二過渡系列YZrNbMoTcRuRhPdAgCd第三過渡系列LaHfTaWReOsIrPtAuHg第17頁第17頁外層電子構型:(n-1)d1~10ns1~2(1)價電子依次填充在次外層d電子層上，最外層只有一個或兩個電子。(2)單質都是金屬，其金屬性比同周期p區(qū)元素強，但較s區(qū)元素弱。

例外:Pd4d10共同特點:(3)過渡金屬水合離子大都含有特性顏色。(4)過渡金屬離子都有未充斥(n-1)d軌道、ns和np軌道。另外，離子半徑也較小，因而易接受配位體形成配離子。第18頁第18頁3.稀土金屬元素ⅢB族鈧、釔和鑭系元素性質非常相同，并且在礦物中也經(jīng)常共生，因而把它們統(tǒng)稱為“稀土元素”。鑭系元素:周期系57號元素位置上，另有14種元素，即從58號鈰到71號镥，與鑭一起稱為鑭系元素(用Ln表示)。稀土元素:第19頁第19頁4f1~146s2外層電子構型:(1)價電子依次填充在次次外層4f亞層上，最后增長電子也有填充到5d軌道上。(2)普通+3氧化數(shù)比較穩(wěn)定。(3)鑭系金屬+3價離子在水溶液中大多數(shù)有顏色。(4)鑭系金屬是強還原劑，其電極電勢相稱于金屬鎂。(5)與水作用產(chǎn)生氫，遇酸強烈反應，但不與堿作用。共同特點:第20頁第20頁

應用領域

用途及特性稀土金屬能夠作為脫氧劑、脫硫劑、吸氫劑和球化劑冶金工業(yè)在難熔金屬或合金中加入稀土，能夠大大改進金屬合金延展性，提升溫度抗氧化能力提升。石油化工作為催化劑廣泛用于有機合成，也可用于汽車尾氣處理，使CO轉化率達88%。玻璃陶瓷CeO2精密光學玻璃拋光劑，含La2O3光學玻璃有很高折射率。其它磁性材料、發(fā)光材料、儲氫、超導、核燃料稀釋等稀土金屬一些工業(yè)應用第21頁第21頁

5.3合金

合金結構和類型合金材料第22頁第22頁1.合金結構和類型合金從結構上可分為下列三種基本類型：（1）混合物合金兩種或各種金屬機械混合物。熔融:完全或部分互溶凝固:金屬各自結晶混合物合金導電、導熱等性質與組分金屬有很大不同。第23頁第23頁

（2）固溶體合金

兩種或各種金屬不但熔融時能互相溶解，并且凝固時也能保持互溶狀態(tài)固態(tài)溶液。純金屬晶格取代固溶體晶格

間隙固溶體晶格溶劑原子溶質原子第24頁第24頁（3）金屬化合物合金兩種金屬元素原子外層電子結構、電負性和原子半徑差別較大時所形成金屬化合物。通常分為正常價化合物和電子化合物。正常價化合物：金屬原子間通過化學鍵形成，成份固定，符合氧化數(shù)規(guī)則。電子化合物：金屬原子間通過金屬鍵形成，成份在一定范圍內改變，不符合氧化數(shù)規(guī)則。第25頁第25頁2合金材料（1）鐵合金—鋼鐵:地殼中藏量4.2%，僅次與鋁。

Fe3O4磁鐵礦磁性化合物Fe2O3赤鐵礦紫紅色2Fe2O3·3H2O褐鐵礦棕黃色FeS2黃鐵礦金黃色第26頁第26頁1970年，前蘇聯(lián)空間站“月亮-16”首先從月球上帶回鐵礦石樣品，含極微小純鐵顆粒。金屬表面處理辦法：

用人為粒子流沖擊金屬表面。從月球礦石提取鐵特殊裝置，可日產(chǎn)1噸鐵。第27頁第27頁

熟鐵

鐵按含碳量多少可分為：

碳素鋼

生鐵(<0.25%)韌性好,強度低,焊接性能優(yōu)良

薄鐵皮、鐵絲鐵管等低碳鋼中碳鋼高碳鋼<0.1%韌性好,可鍛打成型鍛鐵

鐵勺,鍋鏟

(0.25~0.6%)強度較高,韌性較好

鐵軌車輪等

(0.6~1.7%)硬而脆，彈性較好

醫(yī)療器具，彈簧工具等

(1.7~4.5%)硬而脆,可澆鑄成型鑄鐵

機床車身,內燃機汽缸第28頁第28頁鎳鋼

含鎳36%,幾乎不熱脹冷縮,可制造精密儀器零件。鎢鋼

含鎢18%,即使赤熱仍堅硬制造高速切削車床車刀。釩鋼(少許)鋼彈性增長1倍，制造各種彈簧。硅鋼含硅2.5%，用作變壓器鐵心。不但減少其發(fā)熱，還節(jié)約能源。不銹鋼含鉻,錳等,抗蝕性能優(yōu)良。含鉻>12%合金鋼：第29頁第29頁①鋁合金

（2）輕質合金鋁:地殼中藏量為7.45%,是含量最多金屬。當前年產(chǎn)量僅次于鐵。

密度小，導電性好，慣用鋁代替銅制造電線。

硬鋁合金:加入少許銅、錳、鎂等金屬，再通過熱處理使其強度大為提升。俗稱“鋼精”。

輕盈美觀不易生銹

鋁合金強度可與鋼媲美，但卻比其輕近1/4，可廣泛用于航空航天業(yè).

第30頁第30頁鈦:拉丁文“Titanium”特點：a.密度較小b.鈦合金強度高c.抗蝕性好d.工作溫度范圍寬(-200

~500℃)②鈦合金第31頁第31頁由于鈦合金抗蝕性好，工作溫度范圍寬，可用作液氮或液氦等低溫容器。鈦合金強度高，幾乎是鋁合金5倍。熱處理后，它強度與高強度鋼相稱，但密度僅為鋼57%?！翱臻g金屬”美國新式戰(zhàn)斗機含鈦量不小于90%“深海金屬”1977年，前蘇聯(lián)用3500多噸鈦制造當初航行速度最快核潛艇。

第32頁第32頁19,世界鈦生產(chǎn)量0.2克1947年,世界鈦生產(chǎn)量2噸1955年,世界鈦生產(chǎn)量2萬噸1962年,世界鈦生產(chǎn)量10萬噸1972年,世界鈦生產(chǎn)量20萬噸當前，每年用于航天業(yè)鈦不小于1千噸。未來鋼鐵，21世紀金屬第