Электротехнические материалы

А. В. Дробов

Н. Ю. Ершова

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ 

МАТЕРИАЛЫ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь  

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений образования, 
реализующих образовательные программы среднего специального  

образования по специальностям «Монтаж и эксплуатация  

электрооборудования», «Городской электрический транспорт»,  
«Автоматизированные электроприводы», «Электроснабжение»,  

«Микроэлектроника», «Энергетическое обеспечение  

сельскохозяйственного производства» 

2-е издание, стереотипное

Минск
РИПО
2021

УДК 621.3(075.32)
ББК 31.2я723

Д75

А в т о р ы:

преподаватель УО «Гомельский государственный  

профессионально-технический колледж электротехники» А. В. Дробов;  

преподаватель филиала УО БГТУ «Гомельский государственный  

политехнический колледж» Н. Ю. Ершова.

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия по специальностям «Микроэлектроника», «Монтаж 

и эксплуатация электрооборудования», «Техническая эксплуатация 

электрооборудования», «Технология производства изделий электронной 
и микроэлектронной техники» УО «Минский государственный колледж 

электроники» (Н. В. Самарская);  

старший преподаватель кафедры «Электрические станции» Белорусского 

национального технического университета А. Г. Сапожникова.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее 

части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Дробов, А. В.

Д75
Электротехнические материалы : учеб. пособие / А. В. Дробов, Н. Ю. Ер
шова. – 2-е изд., стер. – Минск : РИПО, 2021. – 234 с. : ил.

ISBN 978-985-7253-48-7.

В учебном пособии рассмотрены физико-химические основы материаловедения, 

технологии термической обработки чугунов, сталей, сплавов и закономерности формирования их структуры. Приведены методы испытаний механических свойств материалов, исследования их микро- и макроструктуры. Описаны процессы коррозии 
и эксплуатации материалов при низких и высоких температурах, общие принципы 
их выбора и применения для конкретных изделий. Изложены физические процессы 
и явления, протекающие в проводниках, полупроводниках и пассивных диэлектриках, а также в активных диэлектриках и магнитных материалах в различных условиях их эксплуатации. 

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального образования.

УДК 621.3(075.32)

ББК 31.2я723

ISBN 978-985-7253-48-7 
     © Дробов А. В., Ершова Н. Ю., 2019

 © Оформление. Республиканский институт

профессионального образования, 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время новые электротехнические материалы 

создаются в результате как глубокого изучения физико-технических характеристик, так и совершенствования технологии изготовления и широкого использования раннее не применяемых в 
технике видов сырья. В отечественной электротехнике на первое 
место ставят усовершенствование качества материалов, правильный выбор, когда их используют как проводники, диэлектрики, 
полупроводники или магнитные материалы. Поэтому для понимания электрических, химических и механических свойств материалов, а также других особенностей необходимо исследовать их 
структуру и состав. Сочетание основных требований с реальными возможностями производства обеспечивает качество материалов, их технологичность и высокие параметры.

Изучением и развитием материальной базы электротехники и 

электроники занимается самостоятельная отрасль науки – наука 
об электротехнических материалах. Она изучает свойства таких 
материалов и связи их свойств с составом и структурой строения 
веществ, раскрывает, как эти свойства зависят от влияния различных внешних факторов. Изученные сведения позволяют получать 
новые материалы с заранее заданными свойствами, прогнозировать их изменение в различных условиях применения и повышать 
срок службы, надежность деталей и всего оборудования. 

В зависимости от назначения и используемых свойств раз
личные материалы подразделяют на конструкционные и электротехнические. 

Конструкционными называют материалы, применяемые для 

изготовления таких деталей и частей изделий, основным назна

Предисловие

чением которых является восприятие и передача механических 
усилий или защита от неблагоприятных внешних воздействий. 
Из конструкционных материалов изготовляют валы и корпуса 
электрических машин, защитные кожухи, различные крепежные 
детали и т. п. К этим материалам относят чугуны, конструкционные стали различных марок, цветные металлы и их сплавы, 
пластмассы и т. п. Основными характеристиками конструкционных материалов являются пределы прочности на растяжение, 
сжатие и изгиб, температурный коэффициент линейного расширения, хрупкость, твердость, вибростойкостъ. 

Электротехническими называют материалы, обладающие 

определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и используемые в технике с учетом этих свойств. По 
поведению в электрическом поле электротехнические материалы 
подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрики. По поведению в магнитом поле все материалы делят на 
диамагнетики, парамагнетики и магнитные.

Рисунки и таблицы, приведенные в учебном пособии, допол
няют изложенный материал. 

Предназначено для учащихся учреждений среднего специ
ального образования по специальностям «Монтаж и эксплуатация 
электрооборудования», «Городской электрический транспорт», 
«Автоматизированные электроприводы», «Электроснабжение».

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение – наука, изучающая связь между структу
рой и свойствами материалов, а также их изменения при внешних воздействиях (тепловых, химических, механических и т. д.). 

Материаловедение является научной основой изыскания но
вых материалов с заданными свойствами, а также основой для 
разработки новых технологий изменения структуры известных 
материалов для получения требуемых свойств, изучает материалы, используемые в различных областях промышленности.

Основная задача – повышение надежности и работоспособ
ности машин, механизмов и оборудования.

Выбор материалов и технологий дает возможность эксплуатиро
вать машины и механизмы в течение заданного периода времени.

Надежность, экономичность, верхний и нижний пределы до
пустимых при эксплуатации температур, стой кость к ударам, вибрациям, ремонтопригодность и другие важней шие параметры 
электротехнических изделий в конечном счете оп ределяются не 
столько конструкцией или электрической схемой, сколько использованными в них материалами.

Материалы в развитии цивилизации всегда играли важ ную 

роль. Известный американский ученый А. Хиппель высказал мнение, что историю цивилизации можно описать как смену используемых человечеством материалов.

Целые эпохи истории цивилизации названы по материа лам, 

которые в то время были определяющими: каменный, медный, 
бронзовый и железный века. Возможно, последующие эпохи будут 
названы бумажным веком и веком пластмасс.

Введение

Наука и промышленность по производству электротехниче
ских и конструкционных материалов зародилась на стыке физики, химии, электро- и радиотехники. Постоянно выдвигаются 
все новые требования к их свойствам. Благодаря созданию и применению новых материалов стало возможным появление многих 
электро- и радиотехнических устройств, а с разработкой новых 
радиоэлементов связано появление и развитие микроэлектроники. 

Современное электрооборудование представляет собой сложное 

устройство с большим количеством разнообразных деталей. Для их 
изготовления требуется широкий ассортимент различных электротехнических и конструкционных материалов с определенными электрическими, механическими и химическими свойствами. 

Наряду с ядерной, космической и другими по добными от
раслями техники, электротехника предъявляет наиболее высокие 
тре бования к качеству используемых материалов. Для выполнения 
та ких требований необходимо сотрудничество многих отраслей 
про мышленности, которые снабжают электротехнику сырьем, 
полу фабрикатами и готовыми изделиями.

Стихийными материаловедами были еще древние люди, на
учившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой.

В процессе развития человек стал использовать металлы. 

В первую очередь он применял те из них, которые встречались в 
природе в чистом, самородном виде. Прежде всего, это медь, начало ее применения относят к 7-му тысячелетию до н. э. В 4-м тысячелетии до н. э. начали использовать металлургические процессы получения сплавов. Преобладают уже металлические инструменты из бронзы – сплава меди с другими металлами, в первую 
очередь с оловом. Основное значение этой добавки – увеличение 
твердости, так как чистая медь довольно мягкая и легко гнется, 
поэтому ее редко используют для изготовления инструментов.

Важнейший этап развития – использование железа и его 

сплавов. К середине XIX в. был освоен мартеновский метод производства стали, а к концу века – конвертерный.

Совокупность научно-технических знаний о физико-хими
ческой природе, методах исследования и изготовления различных материалов составляет основу материаловедения, ведущая 
роль которого в настоя щее время признана во многих областях 
техники и промышлен ности.

Введение

Успехи материаловедения позволили перейти от использова
ния уже известных к целенаправленному созданию новых материалов с заранее заданными свойствами.

Технический прогресс во многом основан на материаловеде
нии. В свою очередь он дает новые возможности, методы, приборы 
для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.

Практика постоянно предъявляет все более жесткие и 

разнообраз ные требования к свойствам и сочетанию свойств у 
материалов. Соот ветственно растут их количество и номенклатура. В настоящее время количество наименований материалов, 
применяемых в электротехнике для различных целей, составляет 
несколько тысяч.

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

1.1. Основные сведения о металлах и сплавах

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен извест
ных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Причина этого – в особых свойствах металлов, выгодно от
личающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Металл – один из классов элементов, которые обладают 

определенным набором свойств:

 • металлическим блеском (хорошая отражательная способ
ность);

 • пластичностью;
 • высокой теплопроводностью;
 • высокой электропроводностью.
Данные свойства обусловлены особенностями строения ме
таллов. Согласно теории металлического состояния, металл 
представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, 
вокруг которых по орбитам вращаются электроны. На последнем 
уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. 
Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т. е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электро
проводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, пред
ставляют собой кристаллические вещества, т. е. укладка атомов в 

1.1. Основные сведения о металлах и сплавах

них характеризуется определенным порядком – периодичностью, 
как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием «кристаллическая решетка».

Другими словами, кристаллическая решетка – это вообража
емая пространственная решетка, в узлах которой расположены 
частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального 

числа атомов, многократным переносом которого в пространстве 
можно построить весь кристалл.

Элементарная ячейка характеризует особенности строения 

кристалла (рис. 1.1).

а

а

а

а

d1

d1

б
в

а

Рис. 1.1. Элементарные ячейки для наиболее 

распространенных кристаллических решеток металлов

В кубической объемно-центрированной решетке (рис. 1.1, а) 

атомы расположены в углах ячейки и один атом в центре куба.
Такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден и др.

В кубической гранецентрированной решетке (рис. 1.1, б) атомы 

расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Эту решетку имеют алюминий, медь, никель и другие металлы.

В гекса гональной плотноупакованной решетке (рис. 1.1, в) ато
мы расположе ны в вершинах и центрах оснований шестигранной 
призмы и три атома в середине призмы. Такой тип решетки имеют магний, цинк и некоторые другие металлы.

Раздел 1. Основы металловедения

Кристаллизация металлов
Процесс образования в металлах кристаллической решетки 

называют кристаллизацией. Для изуче ния процесса кристаллизации строят кривые охлаждения металлов, которые показывают 
изменение температуры T во времени τ (рис. 1.2τ). 

1

Ткр

Т

∆Т

Ттеор

2

τ

Рис. 1.2. Процесс кристаллизации чистого металла

До точки 1 металл охлаждается в жидком состоянии, процесс 

сопровождается плавным понижением температуры.

На участке 1–2 процесс кристаллизации сопровождается 

выделением тепла, которое называют скрытой теплотой кристаллизации. 

После окончания кристаллизации в точке 2 температура сно
ва снижается, металл охлаждается в твердом состоянии.

Кристаллизация металла происходит постепенно. Она объе
ди няет два процесса, происходящих одновременно: возникновение цен тров кристаллизации и рост кристаллов. В процессе 
кристаллизации, когда растущий кристалл окружен жидкостью, 
он имеет правильную геометрическую форму. При столкновении 
растущих кри сталлов их правильная форма нарушается (рис. 1.3). 

После окончания кристаллизации образуются кристаллы 

неправиль ной формы – зерна, или кристаллиты. Внутри каждого зерна имеется определенная ориентация кристаллической 
ре шетки, отличающаяся от ориентации решеток соседних зерен.
Строение материалов, состоящих из множества мелких кристалликов, называют поликристаллическим или зернистым.