Материалы с особыми магнитными и электрическими свойствами

Материалы с особыми магнитными  
и электрическими свойствами

Учебно-методическое пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

2-е издание, исправленное и дополненное

УДК 621.78
ББК 34.651
        М34

Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/46/book2069.html

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Материаловедение»

Рекомендовано Научно-методическим советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Авторы: 
С.А. Герасимов, Н.И. Каменская, Ю.А. Пучков,  
А.Е. Смирнов, С.П. Щербаков

Материалы с особыми магнитными и электрическими свойст- 
вами : учебно-методическое пособие / С. А. Герасимов и др.] ; 
под ред. Н. И. Каменской. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва :  
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 53, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5188-3

Изложены краткие сведения о материалах с особыми магнитными 
и электрическими свойствами, которые применяют в современных 
конструкциях приборов и устройств. Приведена классификация пер-
маллоев, а также магнитотвердых материалов. Показано влияние химического 
состава и технологических факторов на свойства порошковых 
магнитомягких ферритов. Приведена методика экспериментального 
определения магнитных и электрических свойств материалов. Выполнение 
конкретных заданий на лабораторных занятиях направлено на 
установление закономерных связей, раскрывающих влияние химичес- 
кого состава и условий обработки на структурное состояние и свойства 
магнитомягких и магнитотвердых материалов, а также проводников 
электрического тока. 
Для студентов приборостроительных специальностей, изучающих 
дисциплину «Материаловедение».
УДК 621.78
ББК 34.651

ISBN 978-5-7038-5188-3

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

М34
[

Предисловие 

Издание включает описание четырех лабораторных работ, выполняемых 
в рамках программы дисциплины «Материаловедение» 
для студентов, обучающихся по следующим приборостроительным 
специальностям: 

 • 24.05.06 «Системы управления летательными аппаратами» 
(специалисты);

 • 12.05.01 «Электронные и оптико-электронные приборы  
и системы специального назначения» (специалисты);

 • 24.05.04 «Навигационно-баллистическое обеспечение применения 
космической техники» (специалисты);

 • 12.03.02 «Оптотехника» (бакалавры);
 • 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» (бакалавры);
 • 11.03.03 «Конструирование и технология электронных 
средств» (бакалавры).
Лабораторные работы № 14, 15 и 17 посвящены изучению 
магнитомягких и магнитотвердых материалов, применяемых в 
приборостроении, лабораторная работа № 18 — изучению материалов 
с особыми электрическими свойствами — проводников. 
Целью лабораторных работ является ознакомление с материалами, 
обладающими особыми магнитными и электрическими 
свойствами, изучение закономерностей изменения указанных 
свойств в зависимости от  химического состава, структуры и технологии 
обработки, а также овладение навыками экспериментального 
измерения магнитных и электрических свойств. 
Оценка качества выполнения лабораторных работ проводится 
в соответствии с рабочей программой дисциплины «Материаловедение», 
где каждая лабораторная работа оценивается в 5 рейтинговых 
баллов. Итоговая оценка учитывает уровень подготовки 
студента к работе, качество ее выполнения и защиту. Приступая  
к выполнению лабораторных работ, необходимо ознакомиться  
с теоретической частью. Готовность к выполнению лабораторных 
работ оценивается в 1 балл, качество оформления отчета — максимум 
в 2 балла, защита работы в форме тестирования — максимум 
в 2 балла.
Перед началом выполнения лабораторных работ необходимо 
ознакомиться с правилами безопасности, которые обязательны 
для соблюдения в лабораториях кафедры. Правила безопасности 
приведены в лабораторном журнале.

Список обозначений

B
— магнитная индукция, Тл
BА
— кажущаяся остаточная магнитная индукция, Тл
Bs
— индукция насыщения, Тл
Br
— остаточная индукция, Тл
H
— напряженность магнитного поля, А/м
Нс
— коэрцитивная сила, А/м
Hs
— напряженность магнитного поля насыщения, А/м
Hр
— напряженность размагничивающего поля, А/м
К
— константа кристаллографической магнитной анизотропии, 
Дж/м3
М
— намагниченность, А/м
R
— электрическое сопротивление, Ом
RX
— постоянная Холла, В·м/(А·Тл)
SB
— температурный коэффициент магнитной индукции, 1/°С
W
— удельная магнитная энергия, Дж/м3

α
— размагничивающий фактор

αr
— температурный коэффициент удельного электрического 
сопротивления, 1/°C
g
— удельная электрическая проводимость, Ом/м
λs
— коэффициент объемной магнитострикции
μ
— магнитная проницаемость, Гн
η
— коэффициент выпуклости кривой размагничивания
r
— удельное электрическое сопротивление, Ом·м
θ
— температура Кюри, °С

Лабораторная работа № 14
Изучение магнитных свойств пермаллоев

Цель работы — изучение влияния химического состава и вида 
обработки на магнитные свойства пермаллоев.
Задачи: экспериментальное определение магнитных характеристик 
низконикелевых и высоконикелевых пермаллоев, применяемых 
для изготовления силовых и измерительных магнитных 
цепей, и ознакомление с особенностями технологии их обработки.
После выполнения лабораторной работы студенты смогут:
 • экспериментально определять магнитные характеристики — 
индукцию насыщения, магнитную проницаемость, коэрцитивную 
силу;

 • применять на практике знания по влиянию состава и технологии 
обработки магнитомягких материалов на их свойства.

Теоретическая часть

Железоникелевые сплавы (пермаллои) относятся к группе прецизионных 
магнитомягких материалов с высокой магнитной проницаемостью 
в слабых магнитных полях с напряженностью H  ≤ 
≤ 100 А/м. Для них характерны также малая коэрцитивная сила  
Hc  = 0,4…80 А/м, повышенное по сравнению с чистыми металлами 
удельное электрическое сопротивление r = (0,45…0,9)·10–6 Ом·м, 
которое способствует уменьшению потерь на перемагничивание и 
дает возможность расширить частотный диапазон их использования.
Благодаря высоким магнитным свойствам пермаллои широко 
применяют в приборостроении для изготовления магнитных экранов, 
сердечников трансформаторов, реле, дросселей и других деталей 
радиоэлектронной техники.
По химическому составу пермаллои принято подразделять на 
низконикелевые (35…65 % Ni) и высоконикелевые (75…80 % Ni). 
Пермаллои имеют структуру однородного твердого раствора  
(рис. 14.1, а).
Низконикелевые пермаллои, содержащие 50 % Ni (рис. 14.1, б), 
обладают наибольшей по сравнению с другими пермаллоями магнитной 
индукцией насыщения Bs — до 1,5 Тл; их используют для 
сердечников силовых трансформаторов и устройств, в которых 
необходимо создать большой магнитный поток.

Наибольшей магнитной проницаемостью µнач  и µmax  обладает 
сплав, содержащий 78,5 % Ni (см. рис. 14.1). Причина легкой 
намагничиваемости этого сплава — наличие у него близких к нулю 
значений константы кристаллографической магнитной анизотропии 
K  и коэффициента объемной магнитострикции λs. Процессы 

Рис. 14.1. Участок диаграммы состояния Fe — Ni (а) 
и зависимость магнитных свойств сплавов от концентрации 
никеля (б)

намагничивания при этом протекают легко, поскольку уменьшается 
разница в работе, необходимой для намагничивания в различных 
кристаллографических направлениях, а также снижаются остаточные 
напряжения, возникающие в результате магнитострикции.
Магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев в 
несколько раз выше, чем низконикелевых, но при этом индукция 
насыщения в 1,5 раза меньше. Кроме того, высоконикелевые пер-
маллои особенно чувствительны к остаточным напряжениям и 
напряжениям от нагрузки (например, от чрезмерной затяжки 
магнитопровода), дороже низконикелевых и требуют применения 
более сложной термической обработки — нагревания изделий до 
температуры 1100…1200 °С в вакууме или в среде водорода, выдержки 
и охлаждения со скоростью 100…200 °С/ч до t  = 600 °С  
с последующим ускоренным охлаждением. Обычный отжиг с медленным 
охлаждением во всем интервале температур приводит  
к получению низкой магнитной проницаемости и высокой коэрцитивной 
силы, что является результатом упорядочения твердого 
раствора в процессе охлаждения и образования сверхструктуры 
Ni3Fe. Упорядочение твердого раствора возможно только в высоко-
никелевых пермаллоях, поскольку они содержат достаточное количество 
никеля. 
Для улучшения электромагнитных свойств обе группы пермал-
лоев легируют молибденом, хромом, медью, кремнием и другими 
элементами. Легирование приводит к увеличению удельного электрического 
сопротивления и магнитной проницаемости, уменьшает 
чувствительность сплава к деформации. Кроме того, оно 
позволяет упростить термическую обработку, так как затрудняется 
упорядочение твердого раствора. Легирование медью также повышает 
стабильность магнитных свойств и улучшает механическую 
обрабатываемость сплава. В целом легирование пермаллоев снижает 
индукцию насыщения Bs  и, как следствие, магнитный поток.
На практике используют легированные высоконикелевые пер-
маллои (79НМ, 80НХС, 83НФ, 81НМА), низконикелевые пермал-
лои применяют как легированные (50НХС), так и простые (45Н, 
50Н). 
Для сердечников магнитных усилителей, коммутирующих дросселей, 
элементов памяти вычислительных машин применяют сплавы 
с прямоугольной петлей гистерезиса, которые характеризуются 
высоким значением остаточной индукции Br; для таких сплавов 
коэффициент прямоугольности петли гистерезиса α = B
B
r
s
/
 ≥ 0,85. 

Прямоугольную петлю гистерезиса имеют низконикелевые пермал-
лои марок 34НКМП, 50НП и 65НП. В первых двух сплавах она 
получается в результате создания кристаллографической текстуры 
(прокаткой с большими степенями обжатия и последующим отжигом), 
в сплаве 65НП — в результате создания магнитной текстуры 
с помощью термомагнитной обработки.
Пермаллои хорошо обрабатываются давлением, их выпускают 
в виде лент и листов толщиной 0,0015...22 мм, а также проволоки 
и прутков диаметром 0,05...120 мм. Однако после пластической 
деформации их магнитные свойства невысоки. Это объясняется 
возникающими при деформации большими искажениями кристаллической 
решетки и остаточными напряжениями, к которым 
пермаллои имеют повышенную чувствительность. Поэтому окончательно 
изготовленные изделия и сердечники подвергаются  
отжигу — типичной обработке магнитомягких материалов, приводящей 
к снятию остаточных напряжений, укрупнению зерна, 
уменьшению содержания примесей и, следовательно, к улучшению 
магнитных свойств. 
Во избежание ухудшения свойств изделия не должны подвергаться 
ударам, изгибам, чрезмерной затяжке или сдавливанию 
обмоткой в процессе последующей сборки.
Магнитными свойствами, близкими к свойствам пермаллоев, 
обладают закаленные из жидкого состояния аморфные сплавы, 
состав которых определяется формулой М80Х20, где М — переходный 
металл (Fe, Ni, Co), Х — аморфизирующие элементы (Si, C, 
B, P), вводимые в количестве 20…25 % (ат.).
Своеобразие свойств обусловливает выделение аморфных сплавов 
в особый класс материалов. Из-за отсутствия в структуре 
границ зерен и дефектов строения, свойственных кристаллическим 
материалам, аморфные сплавы обладают высокой магнитной проницаемостью 
и низкой коэрцитивной силой. Они имеют в 2-3 раза 
более высокое, чем кристаллические сплавы, удельное электрическое 
сопротивление и, как следствие, низкие магнитные потери; 
их используют для работы на частотах до 200 кГц.
Важное преимущество аморфных материалов — простота получения 
непрерывными методами. Высокие скорости охлаждения 
(104…106 К/с), необходимые для подавления кристаллизации, достигаются 
в тонких сечениях — ленте толщиной 20…50 мкм  
и шириной 20…100 мм. Ее получают охлаждением тонкой струи 
расплава на быстровращающемся медном диске. Процесс обеспечивает 
непрерывное производство ленты со скоростью 10…50 м/с 
(до 100 км/ч).

В промышленных масштабах производят сплавы различных 
марок, в том числе 84КСР, 84КХСР, 86КГСР, 71КНСР. Сплав 
71КНСР содержит, % (мас.): Co — 71, Ni — 12, Fe — 6, Si — 7,  
B — 4. Высокий уровень магнитных свойств этого сплава достигается 
после отжига при температуре 400 °С в течение 1 ч. В результате 
нагрева снимаются остаточные закалочные напряжения 
и происходят изменения в расположении атомов, приводящие  
к уменьшению избыточного свободного объема.

Схема и описание лабораторной установки

Для определения магнитных свойств материалов используют 
кольцевые образцы и феррометр Ф5063. Образцы подключают  
к феррометру согласно принципиальной схеме, показанной на 
рис. 14.2.

На испытуемом образце, как на кольцевом магнитопроводе, 
выполнены две обмотки: намагничивающая с числом витков Wн  
и измерительная с числом витков Wи  (рис. 14.3). По намагничи-

Рис. 14.2. Принципиальная схема измерений  
на феррометре:

1 — звуковой генератор; 2 — усилитель; 3 — феррометр;  
uH  — канал измерения напряжения, пропорционального 
амплитуде напряженности намагничивающего поля H m;  
uB  — канал измерения напряжения, пропорционального 
амплитуде индукции Bm;  Wн  — число витков намагничивающей 
обмотки; Wи  — число витков измерительной  
обмотки; 4  — катушка взаимной индуктивности с первичной (
П) и вторичной (В) обмотками

вающей обмотке Wн  (см. рис. 14.2) пропускают ток, частоту и силу 
которого регулируют звуковым генератором 1 и усилителем 2; для 
измерения напряженности намагничивающего поля Hm  используют 
катушку взаимной индуктивности 4,  первичную обмотку П 
которой подключают последовательно с намагничивающей обмоткой 
Wн  к выходу усилителя. Измерительную обмотку Wи  используют 
для определения индукции.
Для управления звуковым генератором (рис. 14.4) используют 
рукоятку 2 для изменения амплитуды переменного синусоидаль-

Рис. 14.3. Образец из испытуемого материала 
в виде кольцевого магнитопровода с намагничивающей (
)

Wн  и измерительной (
)
Wи  
обмотками 

Рис. 14.4. Звуковой генератор:

1 — тумблер включения; 2 — рукоятка изменения 
амплитуды выходного сигнала; 3 — рукоятка 
изменения частоты выходного сигнала