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1、第三节 用途广泛的金属材料整体设计从容说课 能量问题、能源问题、环境问题是21世纪人类面临的三大问题。为了体现教材的时代性，在新教材中新增加了本节内容。 材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史，因此，历史学家往往根据当时有代表性的材料将人类社会划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代等。人们在烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技术来冶炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合金青铜，这是人类社会最早出现的金属材料。 第二次世界大战后，各国致力于恢复经济、发展工农业生产，对材料提出质量小、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分地代替了金属材料，合成纤维、合成橡胶
2、、涂料和胶黏剂等都得到相应的发展和应用。合成高分子材料的问世是材料发展中的重大突破，从此，以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材料科学。金属材料在一个国家的国民经济中占有举足轻重的位置，因为金属材料的资源比较丰富，已积累了一整套相当成熟的生产技术，有组织，大规模生产的经验，产品质量稳定，价格低廉、性能优异。此外，金属材料自身还在不断发展，传统的钢铁工业在冶炼、浇铸、加工和热处理等方面不断出现新工艺。新型的金属材料如高温合金、形状记忆合金、储氢合金、永磁合金、非晶态合金相继问世，大大扩展了金属材料的应用范围。 鉴于金属材料在国民经济中的重要地位和日常生活中的广
3、泛应用，编写一节金属材料的内容，以体现教科书内容的时代性，反映教学与生产、生活实际的联系。通过这一节的教学，让学生了解金属材料的发展历史、重要作用和面临的挑战，通过激发学生的爱国热情和社会责任感来提高学生的求知欲。这是一节全新的内容，阅读性比较强。 教学时要注意以下几个方面：1.通过金属材料发展史及有关的知识，使学生初步认识合理使用金属材料的意义 学生过去对有关金属材料的知识了解不多，金属材料究竟包含哪些材料？它们有哪些功能？主要应用在哪些方面？学生对这些问题不太清楚，对金属材料的学习也就不可能有兴趣，也就达不到本节的教学目的。教师在教学中应该作一些介绍，或让学生互相交流，教师补充，让学生对金
4、属材料形成一个初步概念。 金属材料的基本元素是金属。因此，笼统地说，金属材料具有高强度、优良的塑性和韧性，耐热、耐寒，可铸造、锻造、冲压和焊接，还有良好的导电性、导热性和铁磁性，因此是一切工业和现代科学技术中最重要的材料。金属材料可分为两大类：钢铁和非铁金属（或有色金属）。 为了提高钢铁的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能，常用的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、B等，形成了形形色色的合金铸铁或合金钢。 非铁合金大体可分为：轻合金（铝合金、钛合金、镁合金、铍合金等）、重有色合金（铜合金、锌合金、锰合金、镍合金等）、低熔点合金（铅、锡、镉、铋、铟、镓、汞及其合金）、难熔
5、合金（钨合金、钼合金、铌合金、钽合金等）、贵金属（金、银、铂、钯等）和稀土金属等。其中应用最广的是铝合金。据统计，协和式超音速飞机全部结构的71%是用特殊的铝合金制造的；高速火车、汽车等交通工具对铝型材的用量需求不断加大；建筑装饰用的铝材越来越多，既漂亮又耐腐蚀；电力系统和家用电器中铝导线的用量超过铜导线；铝箔可用于包装食品和香烟；铝合金还可用作电容器等。2.介绍金属材料面临的挑战，激发学生的社会责任感 近一二十年来，金属材料的发展受到了巨大的压力，这种压力来自外部和内部两个方面。就外部来讲，从20世纪中期开始，高分子材料的崛起，尤其是工程塑料从性能到应用许多方面已能和传统的金属材料相抗衡，加
6、上原料丰富、价格便宜，产量以惊人的速度增长。与此同时，先进陶瓷材料也崭露头角，特别是在现代电子工业中占有重要地位。因此，材料领域从金属材料的一统天下转变为金属、陶瓷、高分子材料三足鼎立的新格局。从内部来讲主要是能源、资源和环境三个方面。金属材料的近百年的大力发展，某些主要的金属矿产资源日渐紧张，高品位的金属矿产减少很快，低品位的矿产使能源消耗和成本增加。金属工业是能源的最重要消耗者，也是严重的环境污染者。这些问题对金属材料今后的发展提出了有力的挑战。应对措施：一是对已有的金属材料要最大限度地提高它的质量，挖掘它的潜力，使其产生最大效益。近些年来，金属材料的制造技术有非常迅速的进步，先进的冶炼技
7、术、精炼技术、铸造技术、连铸连轧技术、成型加工技术和热处理技术在不断提高，微量杂质的技术、微量元素的合金化技术有所创新。二是开拓金属材料的新功能，以适应更高的使用要求。超高强度钢、超低碳不锈钢等新的合金钢和新的有色合金应运而生。三是加强废旧金属的回收和再利用。通过对金属材料面临的挑战和应对措施的初步介绍，可提高学生的社会责任感，有志者会明确自己努力的方向，会奋发学习，将来去承担更大的社会责任。3.积极开展社会调查活动，提高学生对金属材料的认识，增强其社会活动能力 通过开展社会调查活动，去了解金属材料的组成、来源、价格和用途，从不同角度增加对金属材料的认识。尤其是通过家庭房屋的装潢，将性能和成本
8、作为选材的重要条件去考虑。社会调查活动需要认真组织，有调查目的、调查计划、调查内容、调查记录、调查总结和结果评价，以使活动收到预期的效果。4.开展多种形式的交流活动，培养学生的互助合作精神 教科书中安排了角色扮演活动，这种活动学生会比较感兴趣。学生根据自己所扮演的角色，去了解这种角色的心声，然后进行交流，可以提高对某一问题的认识。这种活动既可以培养学生收集、整理资料的能力，又可以培养学生发表自己见解的能力，还可以培养学生的合作精神等。三维目标知识和技能（1）要求学生掌握常见合金的重要用途。（2）初步认识合理使用金属材料的意义。过程和方法采用讨论、社会调查、思考与交流、角色扮演等多种方法进行教学
9、。情感、态度和价值观（1）介绍金属材料面临的挑战，激发学生的社会责任感。（2）积极开展社会调查活动，提高学生对金属材料的认识，增强其社会活动能力。（3）开展多种形式的交流活动，培养学生的互助合作精神。教学重点 常见合金的重要作用。教学难点 金属材料的正确选用。课时安排 1课时教学过程导入新课 什么叫合金？合金具有哪些特性？有哪些用途？ 学生思考回答：合金是在金属中加热熔合某些金属或非金属制得具有金属特征的金属材料。不同的合金具有不同的性能，主要表现在机械强度、韧性、硬度、可塑性、耐腐蚀性等方面。例如，不锈钢抗腐蚀性好，用来做医疗器械、炊具等；硬铝强度和硬度好，用来制门窗，也用于制火箭、飞机、轮
10、船等；青铜强度高、可塑性好、耐磨、耐腐蚀，用于制机器零件，等等。 师：回答得很好，合金除了具有以上特点外还具有以下性质：（1）合金的硬度一般比它的各成分金属要大。（2）多数合金的熔点比它的各成分金属要低。（3）改变原料的配比或改变生成合金的条件，可以得到不同性能的合金。推进新课今天我们介绍几种合金。板书 （一）用途广泛的金属材料常见合金的重要应用1.铜合金阅读教材思考：（1）铜合金的分类（青铜、黄铜、白铜）。（2）各种铜合金的组成（青铜：铜锡合金；黄铜：铜与锌的合金，还含有少量锡、铅、铝等；白铜：含镍、锌及少量锰）。【多媒体投影】（1）铜材 以纯铜或铜合金制成各种形状包括棒、线、板、带、条、管
11、、箔等统称铜材。铜材的加工有轧制、挤制及拉制等方法，铜材中板材和条材有热轧的和冷轧的；而带材和箔材都是冷轧的；管材和棒材则分为挤制品和拉制品；线材都是拉制的。（2）黄铜 黄铜是铜与锌的合金。最简单的黄铜是铜锌二元合金，称为简单黄铜或普通黄铜。改变黄铜中锌的含量可以得到不同机械性能的黄铜。黄铜中锌的含量较高，其强度也较高，塑性稍低。工业中采用的黄铜含锌量不超过45%，含锌量再高将会产生脆性，使合金性能变坏。为了改善黄铜的某种性能，在二元黄铜的基础上加入其他合金元素的黄铜称为特殊黄铜。常用的合金元素有硅、铝、锡、铅、锰、铁与镍等。在黄铜中加铝能提高黄铜的屈服强度和抗腐蚀性，稍降低塑性。含铝小于4%
12、的黄铜具有良好的加工、铸造等综合性能。在黄铜中加1%的锡能显著改善黄铜的抗海水和大气腐蚀的能力，因此称为“海军黄铜”。锡还能改善黄铜的切削加工性能。黄铜加铅的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，铅对黄铜的强度影响不大。锰黄铜具有良好的机械性能、热稳定性和抗蚀性；在锰黄铜中加铝，还可以改善它的性能，得到表面光洁的铸件。黄铜可分为铸造和压力加工两类产品。(3)青铜 青铜是历史上应用最早的一种合金，原指铜锡合金，因颜色呈青灰色，故称青铜。为了改善合金的工艺性能和机械性能，大部分青铜内还加入其他合金元素，如铅、锌、磷等。由于锡是一种稀缺元素，所以工业上还使用许多不含锡的无锡青铜，它们不仅价格便宜，还
13、具有所需要的特种性能。无锡青铜主要有铝青铜、铍青铜、锰青铜、硅青铜等。此外还有成分较为复杂的三元或四元青铜。现在除黄铜和白铜（铜镍合金）以外的铜合金均称为青铜。 锡青铜有较高的机械性能，较好的耐蚀性、减摩性和好的铸造性能；对过热和气体的敏感性小，焊接性能好，无铁磁性，收缩系数小。锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中的抗蚀性都比黄铜高。铝青铜有比锡青铜高的机械性能和耐磨、耐蚀、耐寒、耐热、无铁磁性，有良好的流动性，无偏析倾向，可得到致密的铸件。在铝青铜中加入铁、镍和锰等元素，可进一步改善合金的各种性能。青铜也分为压力加工和铸造产品两大类。(4)白铜 以镍为主要添加元素的铜基合金呈银白色,称为白铜。铜
14、镍二元合金称普通白铜，加锰、铁、锌和铝等元素的铜镍合金称为复杂白铜，纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、电阻和热电性。工业用白铜根据性能特点和用途不同分为结构用白铜和电工用白铜两种，分别满足各种耐蚀和特殊的电、热性能。2.钢 师：钢的分类方法较多，（1）按照品种，划分为普通碳素钢、低合金钢、低硅钢、一般碳素结构钢、合金结构钢、合金弹簧钢、轴承钢等。（2）综合划分为普通钢和优质钢两大类。（3）按照规格，划分为大、中、小三类。我们教材按照化学成分分成两类，即碳素钢和合金钢。提问：（1）碳素钢按什么分成哪几类？各具有哪些性能？ 归纳讲解：钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11%。钢是经
15、济建设中极为重要的金属材料。碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。因此，碳素钢获得了广泛的应用。碳素钢：按含碳量又可分为低碳钢（含碳量0.3%），韧性、焊接性好，强度低；中碳钢（0.3%含碳量0.6%)，强度高、韧性及加工性好；高碳钢（含碳量0.6%），硬而脆，热处理后弹性好。（2）合金钢中含哪些元素？ 师：随着现代工业与科学技术的迅速发展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素（称为合金元素，如：铬、锰、钨、镍、钼、钴、硅等）而得到的多元合金。合金钢具有优良的性能。过渡：合金的用途非常广泛，你愿意不愿意对关于合金的课题进行一次调查，并写出关于合金的一篇小论文。实践活动给学生提供一些课题，例如课题一：合金的性质与成分有什么关系？改变某些合金的成分后，合金的性质会不会改变？课题二：合金有哪些用途？课题三：常用设备上使用了哪些纯金属和合金？投影范例 1.形状记忆合金 形状记忆合金是在20世纪60年代初期发现的，它是一种特殊的合金，有一种不可思议的性质，即使把它揉成一团，一旦达到一定温度，它便能在瞬间恢复到原来的形状。由镍和钛组成的合金具
