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1 WuF PVK 2014 Aufgabensammlung Lösung 1.1 Zugprobe (inoffizielle Lösung) a) b) c) Zugfestigkeit d) Bruchdehnung enthält auch Einschnürdehnung, die von der Stablänge abhängt! Aus Diagramm: und Für neue Länge e) Ludwik: umrechnen: Bem: Bei Aufgabenteil d) wird in der offiziellen Lösung behauptet, man könne die Bruchdehnung einfach aus dem Diagramm ablesen. Das stimmt im Allgemeinen schon, aber nur, wenn das Diagramm gerade zur benutzten Stablänge gehört, was hier nicht der Fall ist. (d.h. Stablänge=Probelänge). Ansonsten stimmt das nicht, weil in der Bruchdehnung ja auch die Einschnürdehnung ist, welche NICHT für alle Stablängen gleich ist (sondern die Einschnürverlängerung ). 1.2 Eigenschaften der Werkstoffe

2 1.3 Elastische Dehnung

3 1.4 Plastische Verformung 1.5 Plastische Verformung In der Gleitebene liegende Hindernisse halten die Versetzungsbewegung auf. Durch das Anlagern von Leerstellen an der Kante der eingeschobenen Gitterebene wechselt eine Versetzung ihre Gleitebene (Klettern) und kann wieder gleiten. 1.6 Packungsdichte

4 1.7 Packungsdichte Berührung auf Diagonale, weil: i) ii) Berührung auf Seite nicht möglich, muss auf Diag. sein! 1.8 Bravais-Gitter Ein kubisch raumzentriertes Gitter nach Bravais lässt sich durch eine Verschiebung um mit sich selbst zur Deckung bringen. Beim CsCl-Gitter ist dies nicht der Fall, da bei dieser Operation die beiden Ionen vertauscht würden. Die kleinste mögliche Translation ist, das Gitter somit kubisch primitiv. 1.9 Textur z y x 1.10 Leerstellendichte a) Bildung von Leerstellen durch: Erhöhung der Temperatur Mechanische Verformung bei tiefen Temperaturen ( : Ausheilung) Bestrahlung mit energiereichen Teilchen b) Leerstellen erleichtern die Diffusion insbesondere von substitutionellen Fremdatomen, weil ein diffundierendes Atom den Platz der Leerstellen einnehmen kann, wo es sonst auf einen Zwischengitterplatz ausweichen müsste. c) Leerstellenkonzentration : d) Bei sehr schneller Abkühlung bleibt die Leerstellenkonzentration der höheren Temperatur grösstenteils erhalten.

5 1.11 Versetzungsenergie 1.12 Korngrenzen Bei Grosswinkelkorngrenzen weichen die Gitterorientierungen angrenzender Körner um mehr als 5-20 voneinander ab. Dicke der Korngrenze: 2-5 Atomabstände Bei Kleinwinkelkorngrenzen entstehen durch Ansammlungen von Versetzungen mit unterschiedlichen Gleitebenen, um einen von den Spannungsfeldern her günstigen Zustand zu erreichen. Winkel < 5 Kohärente Zwillingsgrenzen: Kristallorientierung angrenzender Kristalle gespiegelt. Inkohärente Zwillingsgrenzen: Atomabstände passen nicht zusammen. Sie sind nicht parallel zu den kohärenten Zwillingsgrenzen.

6 1.13 Kristallgitter Alternative: Vektorprodukt der Richtungsvektoren 1.14 Minimale freie Enthalpie

7 1.15 Zweistoffschaubild a) Diagramm b) Hebelgesetz: c) d) Siehe unten 1.16 Zweiphasenraum (Bem: Sekundärausscheidungen müssten eigentlich auch noch im Gefügebild erscheinen.) 1.17 Phasendiagramm (Semioffizielle Lösung)

8 b),,, c) d) Anmerkung: in der obigen Darstellung bezeichnet einen Einphasenraum, einen Mischkristall aus A-Atomen mit gelösten B- Atomen. 100% A gehört dann ebenfalls zur Phase, ist also keine eigene Phase. Im Gegensatz dazu: Li in SU 6 (0506), Aufgabe 1, ist eigene Phase und grenzt an einen Zweiphasenraum Zweiphasenraum b) Hebelgesetz: Die Legierung besteht zu 4/6 (66.7 %) aus und zu 2/6 (33.3 %) aus V. c) 1.19 Fe3C (inoffizielle Lösung!) a) Eutektischer Stahl aus Lederburit II b) Ledeburit II aus und c) 1147 C: bis 723 C entsteht aus teilweise 723 C: d) Nein, es ist weisses Gusseisen, da C als erstarrt. e) C-armer Stahl ( %) - Erhitzen auf ~900 C in C-reicher Atmosphäre - C diffundiert in Randschicht, nach Abschrecken entsteht harte C-reiche Martensitschicht f) Bei untereutektischem Gefüge entsteht, welches auch zu wird und nicht im Ledeburit inkorporiert wird. Dieses ist über nicht vorhanden.

9 2.20 Diffusion 2.21 Instationäre Diffusion 2.22 Abkühlung mit Unterkühlung

10 2.23 Erstarrung

11 2.24 Seigerung a) b) c) d) Graph e) f) g)

12 2.25 Bindungsenergie 2.26 Plastizität

13 2.27 Schmid sches Schubspannungsgesetz 2.28 Mehrachsiger Spannungszustand

14 plastische Verformung! Persönliche Alternative: Spannungstensor: Richtungen: Spannungstensor betrachten, Einträge und Vorzeichen so bestimmen, dass Maximum erreicht wird. und Hier reicht das, weil wir nur das Maximum möchten. Es gibt aber noch andere Systeme, die das gleiche Resultat ergeben, z.b. Jetzt einfach: und, fertig!

15 2.29 Querkontraktion Achtung Vorzeichen! (Querschnitt muss kleiner werden!) 2.30mStreckgrenzensteigerung 2.31 Reckalterung, Dressieren

16 2.32 Rekristallisation 2.33 Rekristallisation

17 3.34 Kriechen 3.35 Kriechen und Kriechbruch

18 3.36 Kriechen 3.37 Spannungsrelaxation 3.38 Ermüdung

19

20 3.39 Ermüdung

21 3.40 Wöhlerermüdung

22 3.41 Schädigung bei schwingender Beanspruchung Lokalisierung, Verfestigung: Versetzungen laufen bei Spannungen unterhalb der Fliessgrenze auf persistenten Gleitbändern hin- und her. Verfestigung in angrenzenden Bereichen. Risskeimbildung durch o Extrusionen und Intrusionen mit Bildung von Kerben; o durch inkompatible Verformung benachbarter Körner; o Debonding von harten Einschlüssen (Ablösen vom Grundmaterial); o Brechen harter Einschlüsse Stabile Rissausbreitung: langsames Risswachstum. Bildung von Schwingungsstreifen (Ripples), ev. Rastlinien. Instabiles Risswachstum: Restgewaltbruch Eigenschaften von ermüdungsfesten Werkstoffen Hohe Zähigkeit Niedrige Stapelfehlerenergie: geringere Lokalisierungsneigung, weniger persistente Gleitbänder. Feine Gleitverteilung Fehlerfreie Oberflächenschichten Druckspannungen an der Bauteil-Oberfläche Porenfreier Werkstoff (Durchschmieden) 3.43 Plastoermüdung 3.44 Wärmebehandlung a) Rekristallisationsglühen b) Kaltverformung: Zone A: unverformt, B: schwach verformt, C: stark verformt c) Grafik d) Normalglühen e) Korngrösse wird einheitlicher. Bei grossen Unterschieden müssen mehrere Zyklen durchgeführt werden (Korngrenzen wirken als Keime) f) Stahl wird wenig (30-50 C) oberhalb erwärmt ( bei übereutektoiden Stählen), dadurch wird das sich bildende Korn des Austenits feiner, beim anschliessenden Abkühlen das Ferrit-/Perlitkorn nochmals. Vorteile: Höhere Festigkeit, Beseitigung von Widmannstättengefüge, Kaltverfestigung aufgehoben, Verbesserte Zerspanbarkeit und Abbau von Eigenspannungen

23 3.45 Wärmebehandlung a) Weichglühen: Die Zementitplatten werden kugelig eingeformt. b) Tempern: Der Zementit wandelt sich in Graphit um und wird allenfalls verbrannt (weisser Temperguss) c) Austenitisieren und abschreckern = Härten, es entstehen Martensit und Restaustenit, oder Bainit. (Sorbit und Troostit sind ähnlich zu Perlit) 3.46 Anlassvergüten

24 3.47 Isothermes ZTU-Diagramm c) Kohlenstoffgehalt ist 0.8% (eutektoid), erkennbar, weil kein Umwandlungsgebiet Austenit- Ferrit- (oder Austenit-Zementit Fe3C) vorhanden ist. d) Bei schneller Abkühlung höchstens Bildung von max. ca. 20% Martensit, sonst Perlit oder Bainit. e) Erwärmung auf 200 C entspricht einem Anlassen, wenn zuvor Martensit gebildet worden ist. Bildung von ε-karbid aus Martensit. Martensitbildung aus Restaustenit Kontinuierliches ZTU-Diagramm a) t8/5 für 336 HV: 17 3 = 14 s b) Gefügebestandteile sind:. 5% Ferrit, 75% Zwischenstufengefüge (Bainit), 20% Martensit und (Restaustenit). c) t8/5-zeit für rein martensitisches Gefüge ist etwa =1.4s d) Diese Abkühlgeschwindigkeit ist die obere kritische Abkühlgeschwindigkeit e) Durchhärtbarkeit eines Werkstückes aus diesem Material ist schlecht, 1.4 s sind sehr kurz. f) Ein Material mit höherem Gehalt an C (bis 0.9%), Mn, Ni, Mo, Cr wäre für Durchhärtung besser geeignet, weil diese Legierungsbestandteile die Nasen nach rechts verschieben Oberflächenbehandlung a) An der Oberfläche wirken Verschleiss- und Ermüdungsbeanspruchungen. b) Im Innern sind Zähigkeit und Schlagresistenz gefordert. c) Die Oberfläche wird selektiv durch Brenner, induktiv oder durch Laserstrahl erwärmt und sofort abgeschreckt oder die Abschreckwirkung kommt durch die Wärmeableitung ins Werkstück zustande (Selbstabschreckung). Durch Verändern der Legierungszusammensetzung der Oberfläche Einsatzhärten: Der Kohlenstoff gehalt wird erhöht, danach Härten, Anlassen. Nitrieren: Stickstoff wird eingebaut: Nitride, Teilchenhärtung. Borieren: Bor wird eingebaut: Boride. Grosse Härte und Druckspannungen.

25 d) Einsatzstahl: Unlegiert: C15, Niedriglegiert: 16MnCr5. Der Kohlenstoffgehalt ist zu niedrig zum Härten: Einsatz-Behandlung. Vergütungsstahl: Unlegiert: C42 Kohlenstoffgehalt genügend. (Durchhärtbarkeit verbessert bei niedrig legierten. Niedriglegiert: 42CrMo4 (oder andere Beispiele)) 3.50 Normalglühen 3.51 Spannungsarmglühen Bei der Temperatur T 1 fällt in der Zeit t 1 die Spannung von i auf i : Q ( n 1) A exp E t n 1 n 1 1 RT i 1 Bei der Temperatur T 2 fällt in der Zeit t 2 die Spannung ebenfalls von i auf i : Q ( n 1) A exp E t n 1 n 1 2 RT 2 i Division: Q exp t2 RT1 1 exp Q t1 Q 2 exp R T RT Abschrecken von Stahl J / mol 1 1 exp / T J molk a) 1% Martensit: Martensitstart-Temperatur M S 100% Martensit: Martensitfinish-Temperatur b) Höherer Kohlenstoffgehalt senkt M S und M F c) Nein, wenn die Abkühlgeschwindigkeit gross genug ist, dass die Nasen der Diffusionsvorgänge nicht geschnitten werden (dann nur abhängig davon, um wieviel M S unterschritten wurde); sonst ja. d) Martensit, (Restaustenit), allenfalls Bainit (Zwischenstufengefüge) Perlit, Ferrit. e) elastische und plastische Verformungen des Werkstoffes bewirken eine Erhöhung der Martensitstarttemperatur Kritische Abkühlgeschwindigkeiten a) Bei der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit entsteht gerade etwas Martensit (1%). Kurve 6 mit =4% Martensit (und Restaustenit) liegt dieser Kurve am nächsten. b) Bei der oberen kritischen Abkühlgeschwindigkeit entsteht gerade (erstmalig) vollständig Martensit (99%)(allenfalls mit Restaustenit, aber ohne Ferrit, Perlit, Bainit). Kurve 2 liegt dieser Kurve am nächsten. c) Gefügebestandteile für Fall a): Ferrit 26% Perlit 50% Bainit 20% Martensit (und Restaustenit) 4% d) Der Kohlenstoffgehalt beträgt 0.41%, das ZTU-Diagramm weist einen Ferrit-Bereich auf: Es handelt sich um einen untereutektoiden Stahl. e) Wahl eines höher legierten Stahles. C bis 0.9%, Mn, Ni, Mo, Cr, (grobes Austenitkorn) verschieben die Nasen (diffusionsgesteuerte Umwandlung) nach rechts, das Bainitgebiet nach rechts unten.

26 3.54 Anlassvergüten a) Anlassvergüten bezweckt maximale Zähigkeit und Festigkeit des Werkstückes. b) Durchführung Erwärmen, damit Austenit entsteht, der Kohlenstoff geht in Lösung. Abschrecken (schnelles Abkühlen), damit Martensit entsteht. Grosse Festigkeit und Härte, kleine Zähigkeit, spröde. (Mischkristallhärtung, Feinkorn, Versetzungshärtung) Wieder erwärmen, (Anlassen): Trend: Abnahme von Härte und Festigkeit, Zunahme der Zähigkeit. (Tetragonaler Martensit kubischer Martensit und ε-karbid /Restaustenit Martensit / ε-karbid Zementit, Härteabnahme / Sonderkarbidteilchen, Härtesteigerung). c) C45 ist für die Anlassvergütung geeignet, da der Kohlenstoffgehalt von 0.45% genügend ist. (0.15% C wären zu wenig) Stahlbezeichnungen a) S275J2G4 S: Stahlbau 275: Mindeststreckgrenze = 275 N/mm 2 J2: Übergangstemp. -20 C, Kerbschlagarbeit = 27 J bei 20 C G4: stark beruhigt. unlegierter Stahl b) C15E C: Unlegierter Stahl, Edelstahl 15: 15/100 = 0.15% C E: Schwefelgehalt 0.035% S unlegierter Stahl c) 16MnCr5 16 = 0.16% C Mn 5 = 5/4% Mn = 1.25% Mn Cr-Gehalt < Mn-Gehalt Einsatzstahl niedriglegierter Stahl d) 42CrMo4 42 = 0.42% C Cr 4 = 4/4 % = 1% Cr Mo-Gehalt < Cr-Gehalt Vergütungsstahl niedriglegierter Stahl e) 34CrAlMo5 34 = 0.34% C Cr 5 = 5/4% Cr = 1.25% Cr Mo Gehalt < Al Gehalt < Cr Gehalt Nitrierstahl niedriglegierter Stahl f) 10SPb20 10 = 0.10% C S20 = 20/100% S = 0.2% S > Pb S: kurzbrechende Späne, Pb: Selbstschmierung Automatenstahl niedriglegierter Stahl g) X6CrNiMo % - C 17% - Cr 13% - Ni Mo < Ni Korrosionsbeständig, hochwarmfest hochlegierter Stahl h) S (HS ) 6% W Wolfram, 5% Mo Molybdän; 3% V Vanadium, 8% Co Kobalt Schnellarbeitsstahl, zum Spanen. Schneidhaltig bei hohen Temp. Wolfram- Molybdänbasis Stahleinteilung a) Baustähle 0 < C-wt% < 0.6 b) unlegierte Werkzeugstähle 0.5 < C-wt% < 1.5% c) Vergütungsstähle 0.25 < C-wt% < 0.55% d) Einsatzstähle 0.10 < C-wt% < 0.25% e) Chrom, Cr > 12 wt-% 4.57 Stahleigenschaften a) Verzunderung oder Oxidationsverschleiss bezeichnet die durch direkte Reaktion mit Sauerstoff verursachte Korrosion von Metallen. b) Warmfeste Stähle sind auf hohe Standzeiten im Kriechversuch hin optimiert. Cr, Ni, W, V, Mo c) Hitzebeständig sind Stähle, die nicht verzundern bzw. bei hohen Temperaturen wenig oxidieren. Cr, Al, Si d) Hochwarmfeste Werkstoffe sind warmfest und hitzebeständig. Cr, Ni, Mo

27 4.58 Gusseisen 4.59 Gusslegierung a) lamellar, kugelig (globular) Einfluss durch Oberfläche (kugelig ideal): kleine Kristalle und gleichmässige Verteilung des Graphits verbessern daher die Festigkeit b) Druckfestigkeit von EN-GJL-250 > EN-GJS-250 fi GJL verwenden. Zugfestigkeit von EN-GJL-250 = EN-GJS-250 Zu erwarten ist eine Festigkeit von etwas über 200 MPa ( ). Herauszulesen aus dem Collaud- Diagramm. c) Perlit besitzt hohe Festigkeit und ist ein gutes Ausgangsgefüge für eine nachfolgende Wärmebehandlung 4.60 Sättigungsgrad

28 4.61 Teilchenhärtung (Ausscheidungshärtung) a) kohärente Teilchen: Schneidemechanismus inkohärente Teilchen: Umgehungsmechanismus b) Bei inkohärenten, größeren Teilchen ist die Festigkeit i.a. höher. c) Optimale Härtung ist dann erreicht, wenn möglichst viele Teilchen ausgeschieden sind, ohne daß sich diese bereits vergröbert haben (Übergang von normaler Ausscheidung zu Ostwaldreifung). Die Matrix ist dann nicht mehr übersättigt, die Teilchen mit möglichst kleinem Abstand verteilt. d) Befindet sich die Legierung noch ein Stück unterhalb der maximalen Löslichkeit der teilchenbildenden Komponente im Mischkristall (Abbildung, Legierung A), kann durch weiteres Zulegieren der maximal mögliche Teilchenanteil gesteigert werden. Bei Legierungen, die schon nahe der maximalen Löslichkeit sind (Legierung B) ist eine Steigerung durch Zulegieren nicht mehr möglich, da dann kein Lösungsglühen mehr möglich ist (kein Einphasenfeld beim Aufheizen) Teilchenhärtung a) Teilchen blockieren Versetzungen. Dadurch wird die Streckgrenze erhöht. Für plastische Deformation müssen die Teilchen zerschnitten werden oder durch Klettern umgangen werden. Der Werkstoff muss aus mindestens 2 Komponenten bestehen, welche bei Gebrauchstemperatur zwei Phasen bilden. Bei geeigneten Systemen mit Legierungselementen, welche der Plus-Minus-Regel genügen, werden Überstrukturen gebildet: Grösserer Burgersvektor, grössere Versetzungsenergie. b) Durch Erhitzen geht das Teilchenmaterial in Lösung. Durch Abschrecken bleibt das Material in Lösung. Durch Warm- oder Kaltauslagern werden Teilchen von erwünschter Menge und Grösse gebildet. c) Bei zu langem Auslagern werden Teilchen zu gross (Ostwaldreifung), indem sie andere auffressen, dadurch wächst der Teilchenabstand und die Streckgrenze sinkt wieder. d) Geeignet sind 2 und 3. Bei 1 wird keine Sättigung erreicht, also keine Teilchen ausgeschieden, 4 ist eutektisches Gefüge Teilchenhärtung Dargestellt ist der Streckgrenzenverlauf während des Auslagerns: a) Bereich A: Teilchen wachsen. Weil sie noch klein sind, werden sie bei plastischer Verformung geschnitten. (Schneidmechanismus) Bereich B: Die Teilchen sind so gross, dass sie nicht mehr geschnitten, sondern von den Versetzungen umgangen werden müssen. (Umgehungsmechanismus). Bereich C: Grössere Teilchen wachsen weiter, indem sie kleinere aufzehren (Ostwaldreifung). b) in den Bereichen A und B wachsen die Durchmesser der Teilchen proportional der zweiten Wurzel aus der Zeit,im Bereich C nach der dritten Wurzel Elektrische und thermische Leitfähigkeit a) b) Die höchste Leitfähigkeit haben reine Metalle. Es ist daher ein möglichst geringer Gehalt an Te (wie auch an anderen Fremdatomen) erforderlich. c) Wärmestromdichte:

29 4.65 Elastische und thermische Eigenschaften 4.66 Widerstand eines Kristallgemisches 5.67 Bindungskräfte bei Polymeren a) Die Hauptvalenzen sind die Bindungskräfte innerhalb der Hauptketten und der Nebenketten und der Anschlüsse der Neben- and die Hauptketten. Anm. d. Red.: Gemeint ist: Hauptvalenzen sind die Bindungskräfte innerhalb der eigentlichen Ketten, d.h. zwischen Monomeren und bei Verzweigungen b) Hauptvalenzen sind Atombindungen (Elektronenpaarbindung, kovalente Bindung) c) Die Nebenvalenzen wirken zwischen verschiedenen Ketten (Haupt- oder Nebenketten) d) Nebenvalenzkräfte sind Dispersionskräfte (Van-der-Waals-Kräfte) Dipolkräfte Wasserstoffbrücken Ionenbindungskräfte

30 5.68 Chemische Verknüpfung von Monomeren 5.69 Teilkristalline / amorphe Thermoplaste a) Bei teilkristallinen Thermoplasten ist der nicht kristalline Anteil oberhalb T G flexibel und zäh, wird aber von den Kristalliten zusammengehalten. Würde man die Kristallite in einer glasartigen Matrix verwenden (unterhalb T G ), würde ein sehr sprödes Material resultieren. Bei amorphen Thermoplasten muss man im Glaszustand sein, da die beweglichen Ketten oberhalb T G ein zerfliessendes Material zur Folge hätten. b) Die beweglichen Kettensegmente teilkristalliner Thermoplaste bewirken eine hohe Zähigkeit, die Kristallite eine hohe Festigkeit. Amorphe Thermoplaste, die unterhalb T G verwendet werden, müssen Weichmacher enthalten, da sie sonst glasig und spröde sind. c) Die wechselnden Eigenschaften zwischen amorphen und kristallinen Gebieten in teilkristallinen Thermoplasten streuen Licht, was die Transparenz des Werkstoffs beeinträchtigt. Für hohe Transparenz muss ein amorphes Material gewählt werden.

31 5.70 Thermomechanische Kurven Zeichnen Sie die thermomechanischen Kurven (Schubmodul G/Temperatur T) bezüglich des eingetragenen Gebrauchstemperaturbereichs für folgende Polymere und markieren sie jeweils die Glastemperatur: a) Elastomer b) amorpher Thermoplast c) teilkristalliner Thermoplast d) Duromer Lösung: c d a G T b T g c T g a T g b T g d Für Details siehe Beiblatt! 5.71 Fliessgrenze

32 5.72 Superpositionsprinzip

33 5.73 Komplexer E-Modul

34 5.74 Zeitstandschaubild Die Beanspruchung entspricht = F / A = 40 MPa. Aus den Kriechkurven liest man für 8760 Stunden (1 Jahr) eine Dehnung von knapp 6 % heraus. Dies würde einer Länge von mm nach einem Jahr entsprechen. Das Material erfüllt also die Anforderung nicht. Vorgehenstipp:

35 5.75 Festigkeit der Kunststoffe (inoffizielle Lösung!) a) 3 1: Polymer verhält sich normal elastisch 2 2: viskose Dehnung setzt ein, Spannungsabfall 1 3: Bruch (Versagen) b) Das Spannungs-Dehnungsverhalten bei Kunststoffen ist zeitabhängig c) Ist die Dehngrenze überschritten, sind nicht mehr einzelne Risse erkennbar, sondern eine weisse Dehnfärbung, deshalb Weissbruch Kriechmodul 5.77 Gittertyp a) Das Radienverhältnis der Ionen ist r K /r A = 124/184 = 0.67 KZ = 6 (Oktaeder) Das Ladungsverhältnis ist 1:1 AX-Gitter AX-Gitter mit KZ 6: NaCl-Typ b) Der Gittertyp bleibt gleich, wenn r K /r A nicht unter fällt oder über steigt. Kation A: r K /r A = 0.408: etwas zu klein, hat aber in kleinen Konzentrationen noch keinen Einfluß. Kation B: r K /r A = 0.788: zu gross Kation C: r K /r A = 0.576: Gittertyp bleibt bestehen. Unterschiedliche Ladungen können kompensiert werden, z.b. durch gleichzeitigen Ersatz von Anionen.

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