1、第八章 金屬和金屬材料課題1 金屬材料主講：徐秋芳引言 人類從石器時代進入青銅器時代，繼而進入鐵器時代，銅和鐵作為金屬材料一直被廣泛地應用著。鋁的利用要比銅和鐵晚得多，至今僅100多年的歷史，但由于鋁具有許多優良的性能，鋁年產量已超過了銅，位于鐵之后，居世界第二位。金屬和非金屬的比較 金屬原子易失去電子成為陽離子，而非金屬原子則易得電子成為陰離子。 金屬：常溫時除汞是液態外，其余都是固體。有金屬光澤。大多數是熱和電的良導體。大多數具有延展性。固態時大多為金屬晶體。蒸氣分子大多數是單原子的。 非金屬：常溫時，除溴是液體，氫氣、氮氣、氧氣、氟氣、氯氣是氣體外，其余是固體。大多數沒有金屬光澤。大多數

2、不是熱和電的良導體。大多數不具有延展性。固態時大多為分子晶體。蒸氣（或氣體）分子大多數是雙原子或多原子的。金屬的一些物理性質 思考幾個問題 分析書本中的元素周期表的插圖，金屬元素在所有元素中大約占幾分之幾？ 你知道燈絲是用哪種金屬制成的嗎？能用錫制的嗎？ 銀的導電性比銅好，為什么電線一般用銅制而不用銀制？ 為什么菜刀、鐮刀、錘子用鐵制而不用鉛制？ 為什么有些鐵制品如自行車的鋼圈、水龍頭要鍍鉻？如果鍍金怎么樣？參考答案金屬元素約占4/5。燈絲是用鎢絲制成的。因為它的熔點很高（3410）。而錫的熔點是232。銀導電性雖然比銅好，但是價格高。鐵制品硬度大而銅的硬度小。另外金的硬度小，易劃痕，且金的價

3、格昂貴。實驗1：合金和組成它們的純金屬的性質比較 比較銅片、黃銅片和白銅片、焊錫和錫的光澤和顏色；將它們互相刻劃，比較它們的硬度。 銅片：紫紅色，光澤 黃銅：黃色 白銅：銀白色，光澤 焊錫：暗白色 錫：銀白色，光澤 硬度比較：黃銅白銅銅；焊錫錫說明：合金的硬度與組成它們的純金屬不說明：合金的硬度與組成它們的純金屬不同，有的合金硬度增大，而有的合金硬度同，有的合金硬度增大，而有的合金硬度減減小。小。實驗2：比較焊錫、錫、鉛的熔化溫度的高低 將一塊鐵片放在鐵架臺的鐵圈上，將綠豆粒大小的焊錫、錫和鉛放置在鐵片上構成正三角形的三個頂點，加熱鐵片的中心部分，觀察它們熔化的先后順序。 得出結論：合金的熔點

4、與組成它們的純金屬不同合金的概念 合金是由一種金屬跟其他一種或幾種金屬（或金屬跟非金屬）一起熔合而成的具有金屬特性的物質。上述實驗中的黃銅、白銅、焊錫都是合金。日常生活中，生鐵、鋼、不銹鋼、鋁合金等都是合金。 物質組成的改變會使其性能發生改變。合金的很多性能與組成它們的純金屬不同，合金更容易適合于不同的用途。鈦合金 鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發，并得到了實際應用。 第一個實用的鈦合金是1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐熱

5、性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的7585。其他許多鈦合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。鈦合金 20世紀5060年代，主要是發展航空發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金，70年代開發出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發展。耐熱鈦合金的使用溫度已從50年代的400提高到90年代的600650。 醫用鈦合金 鈦無毒、質輕、強度高且具有優良的生物相容性，是非常理想的醫用金屬材料。目前，在醫學領域中廣泛使用的仍是Ti-6Al-4V ELI合金。但后者會析出極微量的釩和鋁

6、離子，降低了其細胞適應性且有可能對人體造成危害，這一問題早已引起醫學界的廣泛關注。美國早在20世紀80年代中期便開始研制無鋁、無釩、具有生物相容性的鈦合金，將其用于矯形術。日本、英國等也在該方面做了大量的研究工作，并取得一些新的進展。例如，日本已開發出一系列具有優良生物相容性的+鈦合金。 黃 金 金是一種貴重金屬，是人類最早發現和開發利用的金屬之一。它是制作首飾和錢幣的重要原料，又是國家的重要儲備物資，素以金屬之王著稱。它不僅被視為美好和富有的象征，而且還以其特有的價值，造福于人類。隨著科學技術和現代工業的發展，黃金在宇宙航行、醫學、電子學和其它工業部門，日益發揮著重要的作用。黃金的用途越來越

7、廣，消耗量也越來越大，因而引起世界各國對黃金的格外關切和濃厚的興趣。黃 金 黃金的延展性好，一兩純金錘成萬分之一毫米厚的金葉，可以貼滿九平方米的面積。金葉透明，陽光通過時，可呈現綠光。50克純金可抽絲8000米，比毛發還細。黃金的揮發性小，一般情況下熔化揮發量微不足道，在煤氣中蒸發金的損失量為在空氣中的6倍，在一氧化碳中金的損失量為在空氣中的2倍，黃金的揮發速度與其雜質含量有很大關系。黃 金 黃金具有良好的導電及導熱性能。黃金的導電率僅次于銀和銅，在金屬中居第三位，導熱率為銀的74%。金的化學性質非常穩定，在低溫或高溫時都不會被氧直接氧化。常溫下，黃金與單獨的無機酸(如鹽酸、硝酸、硫酸)均不起

8、作用，但混酸，如王水(三份鹽酸和一份硝酸)以及氰化物溶液都能很好地溶解金。金的熔點為1064。如果將黃金加熱到近于熔點，黃金就可以象鐵一樣熔接，細細的金粒可熔結成塊，而金粉在溫度較低的情況下，必須加壓方能熔接在一起。黃金可與其他金屬組成合金，如金銀合金、金銅合金、金銀銅合金。K 金 K金的“K”是外來語“Karat” 一詞的縮寫，完整的表示法是這樣的:Karat gold（即K黃金）， 1K金的計量方法是：純金為24K（即100含金量），1K的含金量約是4.166。用“K”來計算黃金含量的方法出于地中海沿岸的一種角豆樹。角豆樹開淡紅色的花，結的豆莢長約15厘米，豆仁呈褐色，可制膠。這種樹無論長

9、在何處，所結的豆仁大小都完全一樣，所以，古時候人們把它作為測定重量的標準。久而久之，它便成了一種重量單位，以用來測量珍貴、細微的物品。那時鉆石和黃金的計量也使用這一單位，也就是“Karat”。K 金 直到1914年，國際上才把“Karat”規定為現在的標準。K金除含黃金外，其余主要成分是銀和銅。K金飾品往往鐫刻有K數，計算其含金量，可以K數乘以4.1666即可。例如，18K含金量為184.166675。 大家了解了K金的含義和計算方法，那么也就不難知道K金有多少種了，按國際標準，K金分為24種，即1K到24K。目前，世界各國采用的首飾材料都不低于8K。這樣，實際上真正做首飾用的 K金種類是 1

10、7種。白 金 白金是黃金和其它金屬熔煉而成的白色合金。由于鉑金產出稀少，價格昂貴，加上熔點高，所以一般國家很少用鉑金來生產真正的K白金。目前，為了迎合廣大消費者對鉑金的需求，則選用黃金和鈀金或鎳、銀、銅、鋅等金屬熔煉成一種白色的合金，稱之為“K白金”。K白金的成色與K黃金一樣，質量為24，黃金在其中所占質量的份數，則為“K白金”的K數。如18K白金、14K白金，其中黃金的含量分別為75和58.5 。鉑 金 鉑金（英文Platinum縮寫Pt）早在公元前700年就在人類文明史上閃出耀眼的光芒。公元前100年，南美印第安人成功的掌握了鉑金的加工工藝，制成不同款式的鉑金首飾。18世紀，法國國王路易十

11、六特別偏愛鉑金，稱鉑金為“唯一與國王稱號相匹配的貴金屬”。 鉑金稀有，是因為鉑金的儲量遠遠低于黃金。至今全球的鉑金儲量加在一起也只夠裝滿一個中等大小的房間。而一盎司鉑金需從10噸鉑金礦石中歷經5個月才能提煉出來。鉑 金 鉑金純凈，是因為鉑金首飾通常含有90%的純鉑金。相比之下，18K的白色K金僅含75%的純黃金，而且鉑金的白色光澤自然天成，長期佩帶也不會褪色。 鉑金堅硬，是因為鉑金的密度高，強度幾乎是黃金的2倍。鉑金的延展性也好，一克鉑金可以拉出2公里長的細絲。課堂練習 “垃圾是放錯了位置的資源”，應該分類回收。生活中廢棄的鐵鍋、鋁制易拉罐、銅導線，可歸為同一類回收，它們屬于（ ）A.金屬或合金B.氧化物C.非金屬D.白色垃圾課堂練習 下列敘述錯誤的是（ ）A.金屬材料包括純金屬和它們的合金B.金屬在常溫下都是固體C.物質的用途完全由其性質決定，與其他因素無任何關系D.合金是金屬與金屬或非金屬熔合在一起制成的。分析：常溫下汞是液體。物質的用途涉及價格、資源、美觀、便利、對環境的影響等因素。考考你 有些不法分子常常以黃銅冒充黃金進行詐騙活動，因為黃銅（銅、鋅合金）單純從顏色、外形上看，與黃金極為相似，所以很難區分，你能想辦法用簡易的方法鑒別嗎？參考方案 把黃金樣品浸入AgNO3溶液中，