Материалы в приборостроении

Т. А. Бетина 
МАТЕРИАЛЫ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ 
2-е издание
Рекомендовано УМО РАЕ по классическому университетскому 
и техническому образованию в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки: 22.03.01 «Материаловедение 
и технология материалов»
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 620.22(75) 
ББК 30.3 
Б54 
 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук А. Л. Углов;  
доктор технических наук, профессор НГТУ им. Р. Е. Алексеева,  
заслуженный работник высшей школы РФ Г. Н. Гаврилов 
 
 
 
 
 
 
 
Бетина, Т. А. 
Б54  
Материалы в приборостроении : учебное пособие / Т. А. Бетина. –  
2-е изд. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 288 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1625-2 
 
Представлена систематизированная информация о материалах с особыми физическими свойствами разных классов, их структуре, свойствах, областях использования, 
методах создания таких материалов, описаны возможные способы улучшения эксплуатационных физических свойств материалов. Основная цель учебного пособия – предоставить студентам необходимые и достаточные сведения для решения прикладных вопросов создания (выбора) материала в соответствии с эксплуатационными, проектными и технологическими требованиями, предъявляемыми к их физическим свойствам 
при производстве приборов, конструктивных элементов и узлов разного назначения, 
используемых в приборостроении. 
Для студентов высших учебных заведений очной и заочной форм обучения по 
направлениям подготовки: «Материаловедение и технология материалов», «Термическая обработка металлов». Может быть полезно инженерно-техническим и научным 
работникам предприятий приборостроения. 
 
УДК 620.22(75) 
ББК 30.3 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1625-2 
© Бетина Т. А., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
............................................................................................................... 6 
1. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ МАГНИТНЫМИ  
СВОЙСТВАМИ ..................................................................................................... 10 
1.1. Магнитомягкие материалы 
.............................................................................. 12 
1.1.1. Низкочастотные магнитомягкие материалы с высокой магнитной  
индукцией насыщения (чистое железо, электротехническая нелегированная  
и кремнистая сталь) 
............................................................................................... 12 
1.1.2. Низкочастотные магнитомягкие материалы с высокой магнитной 
проницаемостью (сплавы системы Fe-Ni – пермаллои, сплавы  
системы Fe-Si-Al – альсиферы, Fe-Со, Fe-Al) .................................................... 17 
1.1.3. Высокочастотные магнитомягкие материалы-магнитодиэлектрики 
..... 22 
1.1.4. Высокочастотные магнитомягкие материалы – магнитомягкие 
ферриты .................................................................................................................. 23 
1.1.5. Магнитные сплавы со специальными магнитными свойствами –  
с повышенным постоянством магнитной проницаемости  
в слабых магнитных полях, особо высокой индукцией насыщения 
................ 28 
1.1.6. Магнитные сплавы со специальными магнитными свойствами –  
с большой зависимостью магнитной проницаемости от температуры  
(термомагнитные материалы) .............................................................................. 29 
1.1.7. Магнитные материалы специального назначения – сплавы  
с заданным температурным коэффициентом линейного расширения ............ 30 
1.1.8. Магнитные материалы специального назначения – сплавы  
с большой магнитострикцией .............................................................................. 37 
1.1.9. Магнитные материалы специального назначения – сплавы  
с заданным температурным коэффициентом модуля упругости ..................... 38 
1.1.10. Аморфные магнитомягкие материалы 
.................................................... 42 
1.1.11. Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса ................................. 45 
1.1.12. Материалы для магнитопроводов релейных и импульсных  
устройств ................................................................................................................ 47 
1.2. Магнитотвердые материалы 
............................................................................ 48 
1.2.1. Мартенситные магнитотвердые стали ...................................................... 50 
1.2.2. Деформируемые (дисперсионно-твердеющие) сплавы 
........................... 51 
1.2.3. Литые высококоэрцитивные сплавы 
......................................................... 53 
1.2.4. Магнитотвердые ферриты .......................................................................... 57 
1.2.5. Магнитотвердые материалы на основе соединений редкоземельных  
металлов и сплавы с участием благородных металлов ..................................... 59 
1.2.6. Композиционные магнитотвердые материалы ........................................ 62 
2. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ  
СВОЙСТВАМИ ..................................................................................................... 63 
2.1. Проводниковые материалы ............................................................................. 63 
2.1.1. Материалы высокой проводимости. Классификация.  
Металлы и сплавы, углеграфитовые материалы 
................................................ 63 
2.1.2. Контактные материалы 
............................................................................... 68 
3 

2.1.3. Припои и контактолы, флюсы ................................................................... 70 
2.1.4. Термоэлектродные сплавы ......................................................................... 72 
2.1.5. Сплавы с увеличенным удельным электросопротивлением, 
резистивные ........................................................................................................... 73 
2.1.6. Материалы для нагревательных элементов 
.............................................. 74 
2.1.7. Сверхпроводники. Классификация. Низкотемпературные  
сверхпроводники ................................................................................................... 75 
2.1.8. Высокотемпературные сверхпроводники 
................................................. 79 
2.1.9. Хладостойкие сплавы ................................................................................. 82 
2.1.10. Криопроводники 
........................................................................................ 84 
2.1.11. Электрические свойства аморфных сплавов 
.......................................... 87 
2.2. Полупроводниковые материалы 
..................................................................... 88 
2.2.1. Классификация, требования, основные параметры 
................................. 88 
2.2.2. Простые полупроводники .......................................................................... 90 
2.2.3. Полупроводниковые соединения (типов: AIIIBV, AIIBVI, AIVBVI) 
............ 93 
2.3. Диэлектрические материалы. Классификация. Пассивные диэлектрики ... 
100 
2.3.1. Газообразные диэлектрики 
....................................................................... 102 
2.3.2. Жидкие диэлектрики 
................................................................................. 104 
2.3.3. Электроизоляционные полимеры и пластмассы, получаемые  
полимеризацией 
................................................................................................... 107 
2.3.4. Электроизоляционные полимеры и пластмассы, получаемые  
поликонденсацией ............................................................................................... 113 
2.4. Диэлектрические материалы. Активные диэлектрики 
............................... 116 
2.4.1. Сегнетоэлектрики 
...................................................................................... 117 
2.4.2. Пьезоэлектрики ......................................................................................... 120 
2.4.3. Пироэлектрики 
........................................................................................... 124 
2.4.4. Электреты 
................................................................................................... 125 
2.4.5. Жидкие кристаллы .................................................................................... 127 
2.4.6. Материалы твердотельных лазеров 
......................................................... 131 
3. СПЛАВЫ С ДРУГИМИ ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ .......................... 136 
3.1. Материалы с малым газовыделением в вакууме ........................................ 136 
3.2. Материалы на основе интерметаллидов ...................................................... 140 
3.3. Материалы с памятью формы ....................................................................... 142 
3.3.1. Структурные механизмы эффекта памяти формы. Разновидности  
процесса 
................................................................................................................ 143 
3.3.2. Способы получения материалов с ЭПФ. Факторы, обеспечивающие  
обратимость  
деформации .......................................................................................................... 146 
3.3.3. Функциональные свойства сплавов с памятью формы 
......................... 148 
3.3.4. Никелид титана (нитинол) 
........................................................................ 150 
3.3.5. Применение нитинола 
............................................................................... 151 
4. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ. 
МЕТАМАТЕРИАЛЫ 
.......................................................................................... 153 
4.1. Классификация оптических материалов. Характеристика  
особенностей свойств и области применения .................................................... 153 
4 

4.2. Прозрачные материалы 
.................................................................................. 154 
4.2.1. Прозрачные материалы. Стекла неорганические  
(бесцветные и цветные) и органические 
........................................................... 154 
4.2.2. Прозрачные материалы. Оптические стекла с особыми свойствами 
(непрерывно изменяющимся составом и оптическими свойствами,  
теплозащитные, фотохромные и т. д.) .............................................................. 164 
4.2.3. Прозрачные материалы. Оптическая керамика и кристаллы ............... 166 
4.3. Оптические материалы светоотражающие, светорассеивающие  
и световозвращающие 
........................................................................................... 168 
4.4. Покрытия отражающие, поглощающие и просветляющие ....................... 174 
4.5. Материалы, меняющие свои оптические свойства под действием  
различных полей (электро-, магнито-, акусто- и пьезооптические материалы,  
люминесцирующие, поляризаторы, сцинтилляторы, лазерные) 
...................... 182 
4.6. Метаматериалы и альтернативные способы оптической  
маскировки предметов .......................................................................................... 187 
4.6.1. Отрицательный показатель преломления материалов .......................... 187 
4.6.2. Традиционные разработки метаматериалов 
........................................... 189 
4.6.3. Альтернативные разработки по оптической маскировке предметов ..... 
192 
5. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ РАДИАЦИОННЫМИ  
СВОЙСТВАМИ ................................................................................................... 198 
5.1. Требования к основным конструктивным элементам и материалам  
ядерных реакторов ................................................................................................ 200 
5.2. Радиационная деградация материалов ядерных реакторов:  
радиационные дефекты и повреждения 
.............................................................. 210 
5.3. Материалы ядерных реакторов 
..................................................................... 213 
5.4. Новые направления развития радиационного материаловедения ............ 221 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 230 
ПРИЛОЖЕНИЯ 1-5. СХЕМЫ КЛАССИФИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ  
С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ..................................... 231 
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К РАЗДЕЛАМ  
КУРСА ................................................................................................................... 272 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................ 282 
 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Создание новых машин, отвечающих особым требованиям, вместе с соответствующей конструкционной проработкой требует выбора материала и технологии изготовления как самих материалов, так и изделий из них. Выбор материала значительно влияет на повышение качества и надежности машин, устройств 
и механизмов, на их материалоемкость, себестоимость. Часто от требуемых 
свойств материала зависит возможность осуществления новых технических решений.  
Рекомендуется следующий перечень и последовательность работ по выбору материала и упрочняющих технологий: 
1. Определение класса и подкласса материала, соответственно назначению 
детали при одновременном учете предъявляемых требований. 
2. Выбор группы или подгруппы материалов с учетом характера напряженного состояния детали при ее работе в изделии в условиях эксплуатации. 
3. Формирование перечня марок материалов в рамках выбранных групп, 
которые удовлетворяют предъявленным требованиям с учетом потенциальных 
возможностей улучшения свойств соответствующей обработкой. 
4. Проведение сравнительной оценки материалов, входящих в предварительный перечень:  
– по определенным физико-механическим свойствам; 
– по массопотреблению или массоемкости; 
– по стоимости; 
– по технологичности; 
– по дефицитности исходных продуктов и составных компонентов; 
– по возможности устранения или локализации дефектов, выявленных 
при эксплуатации опытных образцов изделий. 
5. Оптимизация или уточнение технологии улучшающей обработки выбранного материала по себестоимости среди возможных вариантов ее осуществления. 
6. Оптимизация выбора и размещения оборудования, необходимого для 
проведения упрочняющей обработки. 
7. Выбор метода и оптимизация контроля качества материала изделия в 
процессе производства. 
Таким образом, для выбора материала в каждом конкретном случае надо 
иметь представление об условиях эксплуатации создаваемой конструкции и требованиях, предъявляемых к свойствам материала, также о технологии создания 
материала и технологических возможностях улучшения его свойств. Часто от 
назначения материала, к которому может предъявляться целый комплекс как физических, так и механических свойств, зависит сама возможность осуществления 
новых технических решений. 
Современные материалы создаются с заранее заданными свойствами под 
конкретное достаточно узкое назначение, поэтому наименований и марок материалов очень много, также как и классификаторов материалов. 
6 

По общей классификации, представленной в специальных государственных стандартах и справочниках материалов, материалы определяют как конденсированные системы, которые делят на 5 типов в порядке возрастания степени 
организации их структуры – это жидкости, стеклообразующие системы, аморфные системы, жидкие кристаллы, кристаллические конденсированные системы. 
В зависимости от вида межатомной связи материалы делят на материалы 
с металлической связью, ионной связью, ковалентной, водородной и связью силами Ван-дер-Ваальса.  
По особенностям строения и свойств материалы делят на: металлические, 
неметаллические и композиционные. 
По способу обработки: 
– деформируемые (обрабатываемые давлением), их получают штамповкой 
или давлением, так как они обладают хорошими пластическими свойствами; 
– литейные, обладают низкой пластичностью и хорошими литейными 
свойствами (пониженная температура плавления, хорошая жидкотекучесть и т. д.);  
– порошковые материалы, которые получают из исходного сырья путем 
прессования в специальных формах. 
Классификация проводится и по химическому составу. 
По назначению материалы делят: 
– на конструкционные материалы с высокими механическими свойствами, 
благодаря чему их используют для изготовления машин, строительных 
конструкций, сооружений; 
– на материалы с особыми физическими свойствами; 
– на инструментальные материалы с высокой износостойкостью, что позволяет использовать их для изготовления металлорежущих, штамповых и 
измерительных инструментов. 
Материалы, используемые в приборостроении, должны обладать особыми 
физическими свойствами, которые определяют основные эксплуатационные характеристики конкретной конструкции или прибора и в первую очередь учитываются при проектировании изделия. Перечень материалов этого класса формируется по определенному показателю (комплексу показателей), который по физической сути обычно определяется названием соответствующего подкласса и 
особенно подгруппы материалов. Материалы этого класса должны иметь повышенное значение одного или нескольких физических свойств, а роль механических свойств при этом обычно имеет подчиненное значение. 
Особыми физическими свойствами считают: магнитные, электрические, 
тепловые, оптические, радиационные. В соответствии с этим, принята следующая классификация материалов по физическим свойствам.  
Это материалы с особыми: 
–  магнитными свойствами; 
– электрическими свойствами (электропроводные, диэлектрические, полупроводниковые); 
– тепловыми свойствами; 
7 

– радиационными свойствами; 
– оптическими свойствами; 
– другими свойствами, используемыми в приборостроении (с эффектом памяти, сверхупругие, демпфирующие и т. д.). 
Материалы, которые используются в технике с учетом определенных 
свойств по отношению к электрическому полю, называют электротехническими.  
Многие из рассматриваемых материалов являются прецизионными в 
смысле высокой точности химического состава и технологий производства. 
Учебное пособие состоит из введения и 5 глав. Во введении рекомендован 
алгоритм выполнения работ по выбору материала и улучшающих технологий для 
создания конкретных изделий и элементов конструкций с учетом эксплуатационных условий и требований к материалам, обоснована необходимость систематизации и классификации материалов, кратко представлены основные классификаторы материалов.  
Дальнейшее изложение, представленное в 5 главах, основано на классификаторе «по назначению материалов», там детально рассмотрены материалы с 
особыми физическими свойствами: 
– в первой главе рассмотрены материалы с особыми магнитными свойствами; 
– во второй главе – материалы с особыми электрическими свойствами; 
– в третьей главе – материалы с другими особыми свойствами; 
– в четвертой главе – материалы с особыми оптическими свойствами; 
– в пятой главе – материалы с особыми радиационными свойствами. 
Каждая глава построена следующим образом. Сначала дается характеристика класса, описание критериев отнесения материала к данному классу и классификация материалов данного класса. Затем описываются основные представители подклассов, групп, подгрупп, их структуры и свойства, способы и особенности получения, их маркировка, а также области использования в промышленности. Причем, рассмотрены как традиционные материалы, так и новые, а также 
и перспективные материалы.  
В данном издании учебного пособия, кроме дополнения материала в главах 
2–4, включено 6 приложений с целью обеспечения возможности упрощения процесса освоения материала. Приложения 1–5 содержат основные положения каждой главы, структурированные в виде схем: 
– приложение 1 – материалы главы 1 (материалы с магнитными свойствами); 
– приложение 2 – материалы главы 2 (материалы с электрическими свойствами); 
– приложение 3 – материалы главы 3 (материалы с другими свойствами); 
– приложение 4 – материалы главы 4 (материалы с оптическими свойствами); 
– приложение 5 – материалы главы 5 (материалы с радиационными свойствами). 
Приложение 6 содержит контрольные вопросы к каждой главе книги. 
8 

При написании главы 5 использованы материалы отчетов работы по государственному контракту от 31 мая 2010 г. № П1097 и Дополнений от 29 марта 
2011 г. № 1 и от 01 сентября № 2 2011 г. «Разработка высокоинформативного 
неразрушающего метода экспресс – контроля работоспособности конструктивных элементов объектов атомной техники на основе количественных оценок 
прочностных характеристик новых радиационно-стойких материалов атомной 
техники» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы». 
 
9 

1. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ  
МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ 
 
Магнитные материалы широко используются в промышленности, а размеры магнитных конструкций могут различаться на десять порядков: от запоминающих микроэлектронных устройств до огромных электромагнитов. Магнитные материалы применяют в качестве источников или проводников магнитного 
поля, к магнитным свойствам которых предъявляются противоположные требования. При разработке магнитных материалов с заданными свойствами необходимо знать, какие магнитные характеристики материалов зависят от химического состава и структуры и как.  
Исследования показали [85], что магнитные характеристики Ms, Bs, ɉs, K, 
Tкюри зависят только от химического состава ферромагнетика, а Ɋ, Hc, Br, Hs  – и от 
химического состава, и от вида термообработки, т. е. являются структурочувствительными. 
Химически чистые ферромагнитые сплавы и однофазные сплавы на их основе намагничиваются легко, так как имеют малое значение Hc. Число кристаллических дефектов в них должно быть минимальным, в том числе, должны быть 
минимальными протяженность межзеренных границ, остаточная напряженность 
и дислокации. Это обеспечивается формированием крупнокристаллической 
структуры материала и осуществлением термообработки (отжига) в конце технологического процесса. Если размер кристалла ферромагнетика приближается 
к размерам доменов, то при намагничивании и размагничивании возможно 
только вращение векторов намагничивания, что сопровождается небольшим изменением намагничения М и индукции В, в результате петля гистерезиса примет 
прямоугольную форму.  
Примеси снижают значения характеристик материала. Особенно вредны 
примеси, образующие в кристаллической решетке основы ферромагнетика примесные дефекты или мелкодисперсные фазы. В обоих случаях затрудняется смещение стенки домена и вращение векторов намагниченности. Намагничивание 
ферромагнетика идет тем легче, чем меньше значение коэффициентов магнитной 
анизотропии и магнитострикции (ɉs, K). Уменьшить их влияние можно путем изменения химического состава ферромагнетика. 
 
Классификация магнитных материалов 
 
Магнитные материалы делят на две большие группы: 
– магнитомягкие, которые используются в качестве проводников магнитного потока;  
– магнитотвердые, используют как источники магнитного потока. 
Магнитомягкие материалы используют в сердечниках трансформаторов 
электрических машин, измерительных приборах. Магнитотвердые используют 
для производства постоянных магнитов в машинах малой мощности, в разных 
аппаратах и приборах. 
10