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绪论

   机床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。①旋转精度：主轴旋转时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动，要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。②动、静刚度：主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。③速度适应性：允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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一、轴的机械条件与性能

1.1轴的工作条件

   大多数机床主轴的工作条件为：CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

1传动扭矩，受交变扭转载荷，往往还受到弯曲载荷。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

2轴颈承受较大的摩擦。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

3大多承受一定的过载和冲击载荷。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

此外，实际使用的轴，由于结构等各方面的要求，往往设计有轴肩、键槽、螺纹和销孔等，从而使其几何形状复杂化，导致产生应力集中。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

4在特殊条件下工作的轴材料应具有特殊性能，如蠕变抗力，耐腐蚀性等。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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1.2 机床主轴的失效形式

   根据工作特点，主轴的失效形式可分为下三种类型：CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

1过量变形：主轴在使用过程中产生设计不允许的过度变形，包括弹性变形、塑形变形以及高温蠕变。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

2断裂：包括在严重超载情况下造成的段捏，在一次性高冲击载荷作用下引起的断裂及由交变载荷长期作用而造成的疲劳断裂。疲劳断裂是常见的失效形式，主要是扭转疲劳，也就是弯曲疲劳。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

3磨损：轴颈处、花键外过度磨损，使其丧失规定的尺寸、集合形状及精度而失效。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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1.3 机床主轴的性能要求

  根据轴的工作条件和失效形式，可以对轴的材料提出如下的性能要求：CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

1良好的综合力学性能，以防止过载或冲击载荷及过量变形。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

2高的疲劳强度防止疲劳断裂。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

3良好的切削加工性能。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

4轴颈及花键处有良好的耐磨性。                                                                        CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

二、机床主轴的选材   

  为了兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力，轴件一般选用中碳钢或者合金调质钢制作， 对于机床主轴，一般选用45钢即可。因为主轴承受弯曲应力和扭转应力，但是所承受的载荷不是很大，转速不是很高，冲击载荷不是很大，所以具有一般的综合力学性能即可。但因为主轴的大端的内锥孔和外锥孔处，因为经常与卡盘和顶尖有摩擦，花键部位与齿轮有相对滑动，故这些部位要求有较高的耐磨性和硬度。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   45钢的刚性淬透性虽然较差，但是主轴的最大应力分布在表面，在粗车以后轴的形状比较简单，在调质淬火时一般不会开裂，因此采用合金调质钢，采用廉价、可加工性好和切割加工性好的45钢即可。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

三、机床主轴加工工艺路线

3.1锻造

1、一端在油炉内加热, 加热长度为全长的2/3。加热规范：1230℃---1260℃，90—100分钟CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

2、自炉内取出锻件, 操作机夹持未加热端, 在锤上轻击数次以去除氧化皮。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

3、从样板未加热一端850mm出作标记，以确保下次锻造的所需的尺寸。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

4、离加热端250mm—550mm处锻造一端。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

5、调转送入炉内加热，按上述方法锻出另一端。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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3.2正火

   采用箱式电炉。规范：850--870℃，保温1.2—2h，出炉空冷。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   正火的目的是为了得到合适的硬度，便于机械加工，同时改善锻造组织，也均匀组织细化晶粒，为最终的热处理做好准备。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

箱式电炉：热电偶将炉温转变成电压信号后，加在微电脑温度控制调节仪上。调节仪将此信号与程控设定相比较，输出一个可调信号。再用可调信号控制触发器，再有触发器触发调压器，达到调节电炉电压和电炉温度的目的。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

                        表1 箱式电炉的相关参数CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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3.3粗加工

  一般采用多刀半自动车床来进行粗加工，粗加工阶段主要包括铣端面、加工顶尖孔、粗车外圆等。此时是以顶孔尖定位，留出0.5-1mm的加工余量。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

  ①基准先行  首先加工好定位基准面，主轴加工也总是先安排铣端面钻中心孔，以便为后续工序准备好定位基准。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

 ②外圆的加工  外圆车削是粗加工和半精加工外圆表面应用最广泛的加工方法。成批生产时采用转塔车床，数控车床，大批量生产时，采用多刀半自动车床，液压仿形半自动车床等。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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3.3调质

  加热到A3+(30~50)℃后在10%左右的盐水溶液中淬冷，然后进行高温回火，加热温度一般为560-600℃。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   调质安排在粗加工后，主要是使主轴具有高的综合力学性能。调质预处理以后轴的硬度为220—250HBS。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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3.3半精加工

   半精加工阶段包括半精车外圆，钻通孔，车锥面、锥孔，钻大头端面各孔，精车外圆等。其主要的加工步骤为：CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

  1加工大端部：加工大端外圆、短锥、断面及台阶。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

  2加工小端部：加工小端部的外圆、锥面。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

  3钻孔CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

  4加工大端面、小端面的锥孔。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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3.4最终热处理

主轴的最终热处理工艺采用的是感应表面淬火加低温回火。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

3.4.1感应表面淬火CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

其基本原理是在一个感应线圈中通以一定频率的交流电（有高频，中频，工频三种），使感应圈周围产生频率相同的交变磁场，置于磁场之中的主轴就会产生与感应线圈频率相同，方向相反的感应电流，这个电流叫涡流。由于集肤效应，涡流主要集中在工件的表层。 由涡流所产生的电阻热使工件表层被迅速加热到淬火温度，随即向工件喷水，将工件表层淬硬。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

主轴的感应表面淬火热处理一般是采用中频感应加热，电流频率在（500—1000）kHz，一般经过最终热处理后的淬硬层深度为2—10mm。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

感应表面淬火热处理以后主轴的表面的力学性能达到很好的水平，具有比较高的硬度。而心部也具有较高的韧性塑性。表面为M，往里为M+F，再往里为M+F+P，中心为P+F。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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3.4.2低温回火CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   主轴的低温回火温度一般为150℃--200℃，然后空冷。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   低温回火能够减小和消除淬火应力，提高韧度和塑性，得到强度、硬度和塑性韧性的良好配合，以满足主轴的性能要求。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

3.5精加工

  主轴的精加工一般采用的是磨削加工。磨削是外圆表面主要的精加工方法，适用于加工精度高，表面粗糙度较小的外圆表面，特别适用于加工淬火钢等高硬度材料。当生产批量较大时常采用组合磨削，成形砂轮磨削及无心磨削等高效磨削方法。精加工的基本步骤、加工设备以及基准位置如下：CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

精加工以后要求主轴的尺寸精度在IT5~IT6之间，表面粗糙度Ra为0.4~0.8Ø90g5、Ø80h5、Ø75h5、ØCA6140。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

四、主轴的误差分析

4.1加工精度及加工误差

   4.1.1加工精度与加工误差CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

     加工精度是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的符合程度。实际加工中不可能做到完全与理想几何参数一致，必定存在一定的误差，称为加工误差。主轴的误差主要有：CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

 一、工艺系统集合误差CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

这是由机床的几何误差、主轴的回转误差、导轨误差和刀具的几何误差引起。这些误差都是在操作中产生的，一般都不可避免，但是可以通过采用相应的方法降低这些误差。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

二、定位误差CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   1基准不重合误差：在加工过程中都以一特定的基准面或者基准线进行加工。如果在加工过程中使用的基准与设计的基准不重合，就会造成基准不重合误差。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   2定位副制造不准确误差：工件在夹具上的正确位置是由夹具上的定位工件来决定的。工件上的定位工件不可能制造的绝对的准确，在加工的过程中由于定位的不准确也会造成一定的误差。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

三、工艺系统受力所引起的误差CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   1工件的刚度：在加工过程中如果工件的刚度不够，会引起微小的变形，造成加工误差，影响加工结果。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   2刀具刚度：加工过程中如果使用的刀具的刚度不足，同样会引起变形进而影响工件的加工，造成误差。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   3工艺系统受热引起的误差：在加工过程中，特别是热处理的过程中个，由于受热而引起主轴的变形产生误差。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

五、主轴的检测与调整

5.1主轴的精度检测

  1 旋转精度检测CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

  主轴的旋转精度直接影响主轴的加工精度，一般采用可用千分表和标准钢球或标准环、可调检验棒检验。其原理是使一个理想的圆�由标准球、标堆环或检验棒给出的� 的圆心与回转中心线重合, 那么,由千分表在某个方向上所测得的理想圆的径向跳动,CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

就反映了回转中心线在该方向上的跳动。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

 2端面精度检测CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

  检验时, 可用千分表直接测量。此时, 千分表应垂直触及被检表面, 也可在主轴锥孔中插人一根检验棒, 然后将千分表放在规定的位置上检验。检验时回转主轴, 千分表的读数差值就是定心向的径向跳动。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

 3表面粗糙度CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

  一般轴颈处的表面粗糙度：Ra0.63-0.16um，配合轴颈的粗糙度为：Ra2.5—0.63um。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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 5.2主轴的失效、缺陷检测

   5.2.1主轴的主要热处理缺陷CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

1 变形开裂  由于主轴的壁厚不均匀或者在轴颈的尖角处容易产生变形开裂现象。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

2 过烧  由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至轴件局部熔化，使工件报废。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

3 裂纹 在热处理和加工过程中产生，二者相互配合促进了裂纹的产生。一般有以下几种裂纹：CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

1纵向裂纹  一般沿着主轴的纵向产生 ，由表面向主轴心部发展。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

2表面裂纹  分布在主轴表面的微小裂纹，对主轴的使用性能造成很大的影响，严重的话可能使主轴的使用寿命降低甚至报废。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

  5.2.2 主轴的相关检测方法CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

1检视法CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

凭借个人的感觉（视觉和触觉）或借助简单工具、标准试件进行比较。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

 2磁粉检验CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

铁磁性材料工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，在合适的光照下形成目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、大小、形状和严重程度。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

磁粉检验无损，操作简单方便，检测成本低，但是对主轴的表面光滑度要求高，对检测人员的技术和经验要求高，检测范围小检测速度慢。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

 3超声波检测CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   利用超声波在金属构件中传播和反射的原理，以探测构件内部缺陷的大小、性质、位置以及材质的某些物理性能的方法。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   超声波的特点：1、超声波声束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性。2、超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射。3、超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性，可以获得从缺陷界面反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的。4、超声波的能量比声波大得多。5、超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷（缺陷中有气体）或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置和形状。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便于保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤也具有其局限性。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

 4力学性能检测CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   使用相应的力学检测仪器检测主轴的相关力学性能，包括拉升、冲击、硬度以及其他必要的力学性能测试。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

 5 显微检测CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

   通过显微观测轴件的显微组织，与标准理想的组织进行比较，结合生产工艺，找出工艺缺陷。CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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                              参考文献CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

1 詹武. 工程材料（工程材料及机械制造基础Ⅰ）  机械工业出版社，1996CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

2.相瑜才 孙维连  工程材料及机械制造基础       机械工业出版社 1996CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

3郑章耕. 工程材料及加工热处理工艺基础   重庆：重庆大学出版社 ，1997CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

4潘金生，仝建民，田民波. 材料科学基础   北京：清华大学出版社，2010CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

5马峰  材料实验技术讲义    北京：中国矿业大学机电材料系   2010CoX热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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