Электротехническое и конструкционное материаловедение

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
 
Ю.В. ЦЕЛЕБРОВСКИЙ 
 
 
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ  
И КОНСТРУКЦИОННОЕ  
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.315.5/.61(075.8) 
         Ц 341 
 
 
 
 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент А.М. Погорельский (НГТУ); 
д-р техн. наук, профессор А.Ф. Бернацкий (НГАСУ–Сибстрин) 
 
Работа подготовлена на кафедре техники и электрофизики  
высоких напряжений для студентов II курса направления 13.03.02  
«Электроэнергетика и электротехника» 
 
 
 
 
 
Целебровский Ю.В. 
Ц 341      Электротехническое и конструкционное материаловедение: учебное пособие / 
Ю.В. Целебровский. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 64 с. 

ISBN 978-5-7782-3981-4 

Учебное пособие в краткой форме поясняет основные понятия электротехнического 
и конструкционного материаловедения, дает определения основным тепловым, электрическим и механическим параметрам материалов, описывает основные классы материалов, применяемых в электроэнергетике и электротехнике. В пособии также приводятся числовые характеристики свойств различных материалов, рассматриваются вопросы их долговечности. Форма изложения позволяет продуктивно готовиться к зачету 
по курсу и вспомнить основные понятия, изученные ранее в курсах физики и химии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 621.315.5/.61(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3981-4 
 
© Целебровский Ю.В., 2019 
 
© Новосибирский государственный 
       технический  университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение .....................................................................................................................................  
4 
1. Строение и основные свойства материалов .........................................................................  
5 
1.1. Основные сведения о строении вещества ...................................................................  
5 
1.2. Тепловые свойства материалов ....................................................................................  
9 
1.3. Основные электромагнитные свойства материалов ...................................................  
10 
1.3.1. Удельное электрическое сопротивление .........................................................  
10 
1.3.2. Диэлектрическая проницаемость ......................................................................  
12 
1.3.3. Магнитная проницаемость ................................................................................  
16 
1.4. Основные механические свойства материалов ...........................................................  
20 
2. Характеристики различных классов материалов, применяемых в электроэнергетике  
   и электротехнике ....................................................................................................................  
24 
2.1. Материалы для механических конструкций ...............................................................  
24 
2.1.1. Сталь и чугун ......................................................................................................  
24 
2.1.2. Бетон....................................................................................................................  
26 
2.1.3. Титан ...................................................................................................................  
27 
2.2. Диэлектрики (электроизоляционные материалы) ......................................................  
28 
2.2.1. Общая характеристика диэлектриков ..............................................................  
28 
2.2.2. Диэлектрические потери ...................................................................................  
28 
2.2.3. Электрическая прочность диэлектриков ..........................................................  
30 
2.2.3.1. Общие положения ................................................................................  
30 
2.2.3.2. Механизм электрического пробоя газов ............................................  
31 
2.2.3.3. Механизм электрического пробоя жидкости ....................................  
32 
2.2.3.4. Механизм электрического пробоя твердых тел ................................  
33 
2.3. Полупроводники (слабопроводящие материалы) .......................................................  
35 
2.3.1. Общие свойства полупроводников ...................................................................  
35 
2.3.2. Полупроводящие материалы, применяемые в электроэнергетике ................  
36 
2.4. Магнитные материалы ..................................................................................................  
38 
2.4.1. Свойства магнитных материалов......................................................................  
38 
2.4.2. Виды магнитных материалов ............................................................................  
40 
2.5. Проводниковые материалы  .........................................................................................  
42 
2.6. Сверхпроводники ..........................................................................................................  
44 
3. Долговечность материалов ....................................................................................................  
46 
3.1. Понятие о старении материалов ...................................................................................  
46 
3.2. Коррозия материалов ....................................................................................................  
46 
Заключение .................................................................................................................................  
48 
Словарь основных терминов. ....................................................................................................  
49 
Библиографический список ......................................................................................................  
63 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Материаловедение – это обширнейшая наука,  без результатов которой невозможен технический прогресс. В кратком учебном пособии нельзя даже охватить все 
проблемы, понятия и методы материаловедения. Автор поставил перед собой весьма 
узкую задачу – дать студентам-электрикам основные понятия, касающиеся тех классов материалов, которые применяются в электроэнергетике и электротехнике. Это 
материалы для генераторов и двигателей, линий электропередачи и контактной сети, 
трансформаторов, выключателей, ограничителей перенапряжений и множества других электрических аппаратов и устройств. Особенность  применения материалов в 
названных областях состоит в том, что эти материалы одновременно испытывают 
воздействие сильных электромагнитных полей, тепла и существенных механических 
нагрузок. 
При таком комплексном воздействии поведение материалов определяется всей совокупностью их тепловых, электрических и механических свойств, что, в свою очередь, сказывается на надежности и долговечности устройств и конструкций. Все аварии в энергосистемах, все повреждения оборудования происходят главным образом 
из-за того, что материалы не выдерживают тех или иных воздействий. Кроме того, 
специалисты, проектирующие, сооружающие и эксплуатирующие эти устройства и 
конструкции, зачастую не владеют глубоко и комплексно необходимыми для этого 
знаниями. 
Опыт автора в преподавании материаловедения для электроэнергетиков и электротехников показывает, что иногда, приступая к изучению материаловедения, студент еще не усвоил в должной мере основные понятия и законы физики и химии. Материаловедение – это первый общеинженерный предмет, и его освоение невозможно 
без базы, которая закладывается при изучении общеобразовательных дисциплин. Поэтому в настоящем пособии предложены такие форма и содержание материала, которые позволяют вспомнить и основные понятия фундаментальных дисциплин.  
Пособие не претендует на глубину и полноту изложения электротехнического материаловедения. Дополнением к нему служат пособия по практическим заданиям [1] 
и лабораторным работам [2]. Основные знания можно получить из  учебников и справочников, представленных в списке литературы [3–9]. 
Учебное пособие содержит словарь основных терминов и понятий, которые в тексте выделены курсивом. При составлении словаря использовались справочники и энциклопедии [10–14], куда автор рекомендует заглядывать и студентам. 
 

1. СТРОЕНИЕ 
И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 

1.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА 

 

Все вещества в конечном итоге состоят из элементарных частиц,
среди которых в первую очередь следует упомянуть электроны, протоны, нейтроны и образованные ими ионы, атомы и молекулы. Студенты-электрики должны твердо знать, что и эти простейшие образования и вещество в целом своими свойствами обязаны закону Кулона, 
определяющему взаимодействие между заряженными частицами (частицами, обладающими таким свойством, как электрический заряд). 
Силы закона Кулона и образуют связи в веществе, определяющие все 
свойства материала. Виды связей могут быть самыми разнообразными, 
но наиболее типичными и распространенными являются четыре из 
них, представленные ниже. 
 

 

 Металлическая, обусловленная большой концентрацией свободных электронов, образующих «электронный газ», в котором на
определенных расстояниях друг от друга (в узлах кристаллической 
решетки) удерживаются положительные ионы. Примеры материалов: 
металлы, сплавы. 
 Ковалентная, обусловленная «обобществлением» электронов
двумя или несколькими атомами. Примеры материалов: водород¸ 
хлор, алмаз. 
 Ионная, обусловленная передачей валентных электронов одного атома другому и образованием вследствие этого положительного и отрицательного ионов, взаимоудерживаемых электростатическими силами. Примеры материалов: поваренная соль, щелочи, кислоты. 
Межмолекулярная (Ван-дер-Ваальса), определяемая взаимодействием поляризованных молекул или мгновенных молекулярных диполей. Примеры материалов: сжиженные газы, полимеры 
 

1. Назовите 
четыре основных вида химической связи
 

 

Кроме этого  существует большое число разновидностей и промежуточных видов связи, обладающих признаками двух или более из
указанных. Пример: водородная связь, объясняемая слабой связью
между протоном и электроном в атоме водорода, в результате чего
электрон смещается к близко расположенному электроотрицательному
(с большим сродством к электрону) атому. Следствием является связь
атомов и молекул между собой. Примеры материалов: вода. 
 
2. Ч т о  
т а к о е  
энергия 
связи? 
 

Наиболее общей характеристикой взаимодействия (связи) является
энергия связи. Энергия связи равна работе, необходимой для разрыва
этой связи и разнесения взаимодействующих частиц на такое расстояние, при котором их взаимодействием можно пренебречь. 

Ориентировочные значения энергии связи: 
для металлической связи …………(1…4)105  Дж/моль 
ковалентной связи …………………10 6 Дж/моль 
ионной связи ………………………. 10 6 Дж/моль 
межмолекулярной связи …………...10 3 Дж/моль. 
 
Вид химической связи оказывает определяющее влияние на различные свойства вещества. При металлической связи большое число и
«обобществленность» свободных электронов обусловливают высокую
электропроводность и теплопроводность металлов, отражение ими
электромагнитного поля (блеск и непрозрачность), пластичность. 
При ковалентной связи наблюдается, как правило, большая механическая прочность материалов  (алмаз). 
Материалы с ионной связью в большинстве случаев хорошо растворяются в воде, молекулы которой представляют собой диполи, и, 
взаимодействуя с ионами, разделяют их (сольватация); для таких материалов характерно проявление хрупкости. 
Межмолекулярные (Ван-дер-Ваальса) связи проявляются в 
слабой механической прочности, отсутствии определенной температуры плавления, сложности и многообразии строения материала. 
Наибольшее значение вид и характер химических связей имеют в
твердых телах. В первую очередь они обусловливают строение твердого тела. Можно выделить три типа характерного строения твердых тел.

3. Какие 
в и д ы  
строения 
твердых 
те л  в ы  
знаете? 

Аморфное – характеризуется наличием ближнего и отсутствием
дальнего порядка в строении, изотропией свойств и отсутствием точки
плавления. 
Кристаллическое – характеризуется периодической повторяемостью строения в трех измерениях (многомерный дальний порядок),
наличием точки плавления и (в большинстве случаев) анизотропией
свойств. 

Полимерное – характеризуется большой молекулярной массой,
одномерным дальним порядком (ориентированное состояние), способностью к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям, отсутствием точки плавления. 
Тела с кристаллическим строением, как правило, имеют нарушение 
в порядке строения. Эти нарушения называются дефектами. 
 

 

Дефектом называется отклонение от идеального периодического 
строения кристаллического тела. Дефекты подразделяются на 4 группы. 
Точечные: вакансии, замещенные атомы, междоузлия, центры 
окраски (комбинация вакансии с электроном проводимости или дыркой). 
Линейные – дислокации (линейный набор точечных дефектов), 
которые могут являться местом скопления примесей. 
Поверхностные – границы между разориентированными участками кристаллов, доменов. Зачастую это ряды и сетки дислокаций. 
Объемные – скопление вакансий, образующее поры и каналы, 
скопление выделений из пересыщенного расплава, скопление  посторонних включений. 
 

4. Назовите
основные
д е ф е к т ы
в строении 
кристаллических тел
 

Дефекты в кристаллах вызывают упругие искажения структуры и 
внутренние механические напряжения. Это снижает механические 
прочностные показатели материала. Дефекты изменяют в ту или
иную сторону электромагнитные свойства материала  и могут оказаться в одних случаях полезными, а в других – вредными. На тепловые характеристики материала дефекты в кристаллах оказывают 
меньшее влияние, чем на механические и электромагнитные характеристики.  
Материалы, применяемые в электротехнике и электроэнергетике,
могут состоять из одного вещества либо представлять соединение или
смесь нескольких веществ. Среди последних широко распространены 
сплавы и композиционные материалы. 
 

5. Определите роль 
дефектов 
кристаллической 
р е ш е т к и
в формир о в а н и и
с в о й с т в
материала

Сплав – макроскопически однородное вещество, получаемое
сплавлением двух либо более металлов, неметаллов, окислов, органических веществ и т. п. Особенно важную роль в технике играют металлические сплавы. Сплав не является механической смесью компонентов. При сплавлении компоненты могут образовывать: 
 твердые растворы; 
 химические соединения; 
 смеси фаз – эвтектики; 
 продукты различных превращений. 

6. Ч т о   
т а к о е  
сплав?