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課程論文論文題目:攣生在鎂合金中的作用機(jī)理學(xué)科專業(yè):姓名:指導(dǎo)老師:教授目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要3\o"CurrentDocument"第一章鎂的基本性質(zhì)4\o"CurrentDocument"第二章鎂合金中的的攣生現(xiàn)象5\o"CurrentDocument"第三章鎂合金攣生的晶體學(xué)6(1)攣生和鎂合金6(2)攣生的類型及相關(guān)知識(shí)6\o"CurrentDocument"第四章攣生對(duì)力學(xué)性能的影響8\o"CurrentDocument"第五章攣生對(duì)塑性變形的影響10\o"CurrentDocument"第六章影響攣生的主要因素11(1)晶粒大小11(2)變形量對(duì)攣晶形貌和分?jǐn)?shù)的影響12(3)變形速率對(duì)攣晶組織的影響13(4)晶粒取向15(5)變形溫度16\o"CurrentDocument"第六章攣生對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)16\o"CurrentDocument"第七章結(jié)論18\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)19摘要鎂合金的資源豐富,應(yīng)用廣泛,具有獨(dú)特的優(yōu)越性能如高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的機(jī)加工性能、可回收循環(huán)利用等,是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。廣泛應(yīng)用于航天,汽車等領(lǐng)域。鎂合金多為密排六方結(jié)構(gòu)(hcp),滑移系較少。孿生變形作為其重要的塑性變形協(xié)調(diào)機(jī)制。影響著鎂合金的各項(xiàng)性能,所以研究孿生在鎂合金的作用機(jī)理變的尤為重要。所以研究鎂合金不同變形機(jī)制、變形工藝與組織、性能之間的相互影響,對(duì)于優(yōu)化塑性變形工藝、促進(jìn)鎂合金均勻變形、改善鎂合金的延性和強(qiáng)度、探索開發(fā)適合工業(yè)化生產(chǎn)的高性能變形鎂合金材料及其制備工藝具有重要的促進(jìn)作用。第1章鎂的基本性質(zhì)鎂為元素周期表中第三周期元素,銀白色金屬,其基本物理性能列于表1。由表可以看出鎂在20°C的時(shí)候密度只有1.738留cm,,是常用結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬,鎂的這一特征與其優(yōu)越的力學(xué)性能相結(jié)合成為大多數(shù)鎂基結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用基礎(chǔ)。鎂在金屬中是電化學(xué)順序最后的一個(gè),因此鎂還具有很高的化學(xué)活潑性。鎂在潮濕大氣、海水、無機(jī)酸及其鹽類、有機(jī)酸、甲醇等介質(zhì)中均會(huì)引起劇烈的腐蝕,但鎂在干燥的大氣、碳酸鹽、氟化物、氫氧化鈉溶液、苯、四氯化碳、汽油、煤油及不含水和酸的潤(rùn)滑油中卻很穩(wěn)定[1]。在室溫下,鎂的表面能與空氣中的氧起作用,形成保護(hù)性的氧化鎂薄膜,但由于氧化鎂薄膜比較脆,而且也不像氧化鋁薄膜那樣致密,所以其耐腐蝕勝很差,鎂的室溫塑性很差。純鎂單晶體的臨界切應(yīng)力(CRSS)只有(48?49)X105Pa,純鎂多晶體的強(qiáng)度和硬度也很低,因此都不能直接用來做結(jié)構(gòu)材料。表1是純鎂的一些重要的物理數(shù)據(jù)。表1純鎂的一些重要物理數(shù)據(jù)性能單位量值原子序數(shù)—12原子量—24原子價(jià)2密度(2g)g/cm?[.738陪點(diǎn)V649沸點(diǎn)X:1107熱導(dǎo)率C20*C)WZ(mK)155燃燒熱KJ/Kg25皈。增化熱KJ/Ks368第2章鎂合金中的的孿生現(xiàn)象攣生是晶體的一部分沿一定的晶面(攣生面)和一定的晶向(攣生方向)相對(duì)于另一部分晶體做均勻的切變,切變部分發(fā)生晶格轉(zhuǎn)動(dòng),與未切變部分形成鏡面對(duì)稱。攣生切變具有單向性,即沿?cái)伾较騨1的相反方向則不能發(fā)生攣生。在HCP結(jié)構(gòu)的純鎂及其合金中,攣生是一種重要的晶內(nèi)變形機(jī)制。在一定的溫度范圍內(nèi),滑移、攣生和斷裂是相互競(jìng)爭(zhēng)的應(yīng)力釋放模式。Christian等研究討論了密排六方晶格中的攣晶類型,指出鎂合金中常見的攣生模式有{1012}、{1011}、{1122}、{1121}。其中,后三種攣生模式的CRSS較高,產(chǎn)生這種攣生的影響因素也比較復(fù)雜。其他攣生模式還有{3034}、{1013}、{1123}、{1014}等。表3列出了鎂合金中常見的攣生模式及其攣生要素和切變量。表2是純鎂的主要力學(xué)性能[7]表2純鎂的主要力學(xué)性能加工狀態(tài)抗拉強(qiáng)度db/MPa屈服強(qiáng)度cry/MPa彈性模量E/MPa伸長(zhǎng)率雙)斷面收縮率頓絢硬度HBS鑄態(tài)1]一52545893C變形狀態(tài)20.09.04511.512,536第3章鎂合金享生的晶體學(xué)3.1孿生攣生是一種均勻的切變,切變部分發(fā)生晶格轉(zhuǎn)動(dòng),與未切變部分形成鏡面對(duì)稱。以鎂合金{1012}攣生為例,如圖1所示,切變區(qū)與未切變區(qū)的界面{1012}稱為攣晶面,用K1表示;〈1011〉為切變方向,用氣表示;{1012}為第二不畸變面,用K2表示;{1210}包含叭,且同時(shí)垂直于K1和K2,用P表示;K2面與P的交線〈1011〉為不畸變剪切方向,用n2表示。k1、L、k2、n2稱為攣生要素或攣生參數(shù),這4個(gè)參數(shù)決定了攣生切變的幾何特征[3]。表3鎂合金中常見的攣生模式及其攣生要素和切變量(r=c/a)Ak2%s3-r11U12)11012]<11)1]>寧護(hù)―9(1011\〈153}<1012>4tVT{】物(1囪3—J:空A2心3r/血;aao2j—IT■冷—^1"SJr3.2孿生的類型及相關(guān)知識(shí)表4{1012}和{1011}攣生的特征參數(shù)TOC\o"1-5"\h\z葺i心了心如寸(1012}<]0]1>0.12945/44{LCiil}查口.E%8hcp結(jié)構(gòu)材料能夠發(fā)生多種攣生方式,鎂合金材料中最常見的攣生模式有兩種,如圖2所示。攣生變形中K]、K2.n1和n2分別為第一不畸變面(攣晶面)、第二不畸變面、切變方向和不畸變剪切方向,這四個(gè)參數(shù)稱為攣生要素或攣生參數(shù),它們決定了攣生切變的幾何特征。表2中Y為攣生切變應(yīng)變,Ns是每個(gè)單元晶胞中的重組原子數(shù),Nt是單元晶胞總原子數(shù),q是要切變的K1面的數(shù)量。除表2中所列的2種孿生外,還存在其它類型的孿生模式,如{1013}、{3034}、{1123}、{1014}等。然而對(duì)于所有的HCP結(jié)構(gòu)金屬來說,在較低的變形溫度下,沿{1012}晶面的孿生是最普遍的,這允許在c軸方向發(fā)生非彈性形變,{1012}孿生的描述如下:K1={1012}K2={1012}n1=<1011>n2=<1011>_8(p1a}(竣)^3這里切變量Y0與軸比c/a有關(guān),對(duì)于c/aV3的材料,切變方向?yàn)?lt;1011>,孿生在平行于c軸拉應(yīng)力或者垂直于c軸方向壓應(yīng)力的作下發(fā)生。K1面上側(cè)的原子沿L方向作平行于K1面的切變運(yùn)動(dòng),平行于K1面的晶面在切變過程中面間距保持不變。發(fā)生切變的原子沿{1012}孿晶面與未發(fā)生切變的原子成鏡面對(duì)稱關(guān)系。此過程中,邛]和邛2方向上的原子密度在孿生前后保持不變⑹。第4章孿生對(duì)力學(xué)性能的影響晶體材料的延性或脆性極大地依賴于滑移和攣生的本質(zhì)及其相互聯(lián)系。攣生變形對(duì)鎂合金材料力學(xué)性能所起的作用可歸結(jié)為以下幾點(diǎn):(1)攣生變形使晶格發(fā)生旋轉(zhuǎn),可提供附加的獨(dú)立的滑移系,形成回復(fù)區(qū),有利于提高材料的延性。Koilke等研究表明,鎂及其合金甚至可能在室溫下發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)。動(dòng)態(tài)回復(fù)與(1011}壓縮攣晶有關(guān),因?yàn)槲诲e(cuò)會(huì)被攣晶界吸收。Barnett等認(rèn)為(1012}攣晶使晶粒重新取向至硬取向,由此使鎂合金總的應(yīng)變硬化增強(qiáng),從而延遲塑性不穩(wěn)定性的發(fā)生,提高鎂合金的延性。(2)攣晶使晶粒細(xì)化并阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),對(duì)位錯(cuò)轉(zhuǎn)變也有影響,從而導(dǎo)致加工硬化。如(1012}攣晶界取向的突變(與母體晶粒旋86°)可成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙,由此成為加工硬化源。由于攣生而造成的加工硬化有利于達(dá)到更大的均勻延伸率°Jain等的研究表明,在AZ31薄板沿軋向和橫階段滑移中攣生成為主要的塑性變形機(jī)制[1]。(3)攣晶也可能產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)和失效區(qū),使材料的韌性降低。TOC\o"1-5"\h\z£'R/H|1012|■■r-.L?Li1Z10I?■fa廣44?x4K茂?!隼紊?5米平面圖W季生后品胞畛狀圖1鎂合金(1012}攣生原子運(yùn)動(dòng)情況(4)鎂合金的力學(xué)性能各向異性與攣生變形有關(guān)。Beck認(rèn)為通過抑制攣生變形可以減小各向異性,方法之一就是在變形過程中保留細(xì)小的晶粒組織??梢酝ㄟ^控制基體中析出穩(wěn)定的第二相、抑制晶粒長(zhǎng)大、控制變形溫度、劇塑性變形等工藝來獲得細(xì)晶組織。孿生變形引起晶格旋轉(zhuǎn),改變鎂合金的織構(gòu)。粗晶組織的鎂合金在變形過程中會(huì)產(chǎn)生大量孿生變形,使晶格旋轉(zhuǎn)更大,可能會(huì)使織構(gòu)弱化。[5]第5章孿生對(duì)塑性變形的影響圖2hcp結(jié)構(gòu)金屬鎂{1012}<1011>拉伸攣生系劉俊偉,陳振華,陳鼎等人對(duì)中低溫變形(室溫?573K)條件下板材的攣生類型和機(jī)制,并對(duì)攣生在低溫變形時(shí)所導(dǎo)致的硬化和軟化效果進(jìn)行判斷。主要結(jié)論如下:有較強(qiáng)基面織構(gòu)特征的AZ31鎂合金板材在室溫?573K變形過程中{1011}壓縮攣晶起主要作用,同時(shí)也存在少量的基面滑移。變形溫度越高,變形速率越小,攣晶數(shù)量也逐漸減少。中低溫變形時(shí)AZ31鎂合金軋制板材中的壓縮攣晶和二次攣晶同時(shí)起軟化作用與硬化作用,但硬化作用大于軟化作用⑻。第六章影響享生的主要因素6.1晶粒大小眾所周知,多晶體中位錯(cuò)滑移導(dǎo)致的屈服過程具有明顯的晶粒尺寸依賴性,其中最具代表性的理論是基于位錯(cuò)塞積的Hall——Petch關(guān)系。晶粒的大小明顯影響材料的強(qiáng)度,一般晶粒越細(xì)小材料的強(qiáng)度越高,可以看出屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度都與晶粒尺寸的負(fù)二分之一次方成正比,可寫成:[11]。廣(JO+Kd‘"式中吻。。為晶格摩擦力,氣為屈服強(qiáng)度,K為Petch斜率,d為晶體直徑。對(duì)于攣生而一言,它通常是在基面滑移受阻產(chǎn)生應(yīng)力集中時(shí)誘發(fā)形核,因此不可避免也要受到晶粒尺寸的影響。一方面,根據(jù)Hall——Petch關(guān)系,晶粒尺寸越大,晶界處的位錯(cuò)塞積越嚴(yán)重,越容易誘發(fā)攣生。另一方面,在細(xì)晶條件下,由于晶界體積分?jǐn)?shù)較大,晶界硬化使得非基滑移更容易被激活,甚至發(fā)生晶界滑移,從而使塑性變形的均勻性顯著提高,因而降低攣生發(fā)生的可能性。由此可見,晶粒尺決定的變形均勻性直接影響到攣生的發(fā)生,有可能間接影響鎂合金的拉壓不對(duì)稱性。然而這種Hall一Petoh關(guān)系是否能夠描述攣生變形過程中晶粒尺寸和屈服強(qiáng)度的關(guān)系呢?己有的研究只是粗略地研究了晶粒尺寸和攣生的關(guān)系,對(duì)于體心立方晶體有類似的研究大量研究表明,攣生主要發(fā)生在粗晶內(nèi)部,而細(xì)晶鎂合金中只有當(dāng)變形溫度很低、變形速度極快時(shí)才會(huì)產(chǎn)生大量的攣晶。這是因?yàn)榇志?nèi)位錯(cuò)滑移程大,晶界附近應(yīng)力集中嚴(yán)重,而細(xì)晶組織不僅位錯(cuò)滑移程短,且細(xì)晶鎂合金容易通過交滑移、非基面滑移和GBS以及動(dòng)態(tài)回復(fù)等過程來釋放局部應(yīng)力集中,應(yīng)力狀態(tài)難以滿足攣晶形核要求。攣生的發(fā)生率和晶粒尺寸究竟存在怎樣的定量關(guān)系并沒有研究明確給出。具有擇優(yōu)取向的多晶體,其塑性變形行為表現(xiàn)出與單晶體相似的某些特征。攣生的單向切變特性,使晶粒取向?qū)伾J降膯?dòng)具有重要的影響,并引起塑性變形時(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線的變化。有研究表明,當(dāng)樣品中具有很強(qiáng)的纖維織構(gòu),即大部分晶粒均以{0001}基面平行于擠壓方向,在此取向下,位錯(cuò)、滑移不能發(fā)揮作用,拉伸攣生在壓縮變形時(shí)才能發(fā)生,從而使拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度明顯比壓縮時(shí)高。經(jīng)過塑性變形后的鎂合金,根據(jù)其應(yīng)力應(yīng)變特征往往呈現(xiàn)出不同類型的織構(gòu)。因此對(duì)于經(jīng)過不同塑性變形工藝制得的鎂合金材料,其發(fā)生孿晶的條件也不相同。對(duì)于擠壓棒材和軋制板材,應(yīng)變量低于8%時(shí),孿生幾乎可以使所有晶粒向基面方向轉(zhuǎn)動(dòng);對(duì)于擠壓棒材,25%的應(yīng)變量可以產(chǎn)生和大量的孿晶,但仍有一些晶粒沒有發(fā)生孿生變形;對(duì)于軋制板材,8%的應(yīng)變量即可使所有的晶粒發(fā)生孿生變形,且孿生的形態(tài)也不相同。StarselskyA等人對(duì)具有基面織構(gòu)的熱軋AZ3IB鎂合金板材進(jìn)行厚向壓縮、平面拉伸和平面壓縮,試驗(yàn)表明,由于存在基面織構(gòu)的原因,拉伸孿晶對(duì)厚向壓縮和平面拉伸試樣的宏觀應(yīng)變沒有大的影響,但對(duì)于平面壓縮變形,拉伸孿晶對(duì)其變形卻起著重要作用。多晶體的織構(gòu)能很大程度上影響鎂合金的滑移變形,從另一方面說,一旦織構(gòu)抑制了晶體的滑移,就有可能促進(jìn)非滑移變形機(jī)制的啟動(dòng),如孿生。[9]6.2變形量對(duì)攣晶形貌和分?jǐn)?shù)的影響圖4均勻化處理后鎂合金的組織圖4可見,均勻化處理后試樣的組織特點(diǎn):晶粒大小較均勻,平均晶粒尺寸約為200Lm。材料基體枝晶經(jīng)過均勻化工序后,基本消失,仔細(xì)觀察研究發(fā)現(xiàn),少量顆粒狀Mg17Al12第二相仍存在于其中。壓縮變形量為5%時(shí),試樣的組織情況如圖5,經(jīng)觀察,該圖有一些較寬的孿晶分布在晶粒內(nèi)部,處于一個(gè)晶粒內(nèi)部的多條孿晶彼此平行。在壓縮實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行中,試樣的變形程度在增加,相應(yīng)的孿晶數(shù)量也在上升。當(dāng)壓縮量增到12.5%(圖6),晶粒內(nèi)部布滿孿晶,這些孿晶形態(tài)是細(xì)而長(zhǎng)的,彼此之間互相交錯(cuò)。孿生的產(chǎn)生,一是要達(dá)到相應(yīng)的臨界切應(yīng)力,二是晶粒位向要利于發(fā)生孿生。那么,孿晶所在處必然是應(yīng)力高度聚集處。若

圖5變形量為5%鎂合金的組織圖612.5%變形量的鎂合金組織變形程度小,則應(yīng)力聚集少,孿晶數(shù)量也較少。若變形程度增加,晶界處的緊張狀態(tài)加劇,變形過程持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)也使部分晶粒位向改變,改變的位向可能利于孿生發(fā)生,由此原因,壓縮時(shí)間越長(zhǎng),變形程度越大,孿晶數(shù)量越多甚至布滿晶粒。一般稱原始孿晶內(nèi)再產(chǎn)生的孿晶為二次孿晶。本實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到明顯的二次孿晶。6?3變形速率對(duì)享晶組織的影響變形速率是影響本實(shí)驗(yàn)孿晶的重要因素之一。圖7是實(shí)驗(yàn)用鎂合金在0.5mm/min下進(jìn)行壓縮后的金相照片??梢姡撛嚇釉跇O小的變形速率0.5mm/min下,進(jìn)行室溫壓縮變形,同樣產(chǎn)生了為數(shù)不少的孿晶。比較圖8、9可見,變形速率的提高,使變形孿晶形態(tài)趨于細(xì)小致密,相應(yīng)的分布趨于均勻。

變形速率對(duì)實(shí)驗(yàn)所用鎂合金的孿生模式的影響不可忽略:若變形速率較低,單個(gè)晶粒內(nèi)部產(chǎn)生的孿晶分布方向趨于一致,偶爾有少量孿晶發(fā)生相交;伴隨變形速圖70.5mm/min變形速度下組織圖81mm/min變形速度的組織率的升高,單個(gè)晶粒內(nèi)部呈現(xiàn)幾組孿晶相圖92mm/min變形速度下的組織

交的狀態(tài),而單一的組內(nèi)孿晶則彼此平行。產(chǎn)生這現(xiàn)象的原因可能是:變形速率較慢時(shí),僅有取向有利的那組孿晶產(chǎn)生,導(dǎo)致了同一晶粒內(nèi)僅一組平行的孿晶,少有孿晶交錯(cuò)。據(jù)上文對(duì)孿晶形態(tài)及分類的闡述可知,變形速率較慢時(shí)以{1012}孿晶為主,變形速率增快后,變形晶粒緊張度加劇,更傾向于形成{1011}孿晶[9]6.4晶粒取向?qū)\生和滑移變形的一個(gè)重要區(qū)別是孿生具有單向性,是單向切變,即沿孿生方向n1的反向不能發(fā)生孿生切變。因此,孿生的發(fā)生不僅與外加載荷的幾何位向有關(guān),還與載荷的類型有關(guān)(拉伸或壓縮)。當(dāng)外加載荷相同的情況下,晶粒取向則決定了孿生的發(fā)生。對(duì)于hcp晶體,平行于c軸方向受拉或垂直于c軸受壓產(chǎn)生的孿晶,稱為拉伸孿晶;平行于c軸受壓或垂直于c軸受拉產(chǎn)生的孿晶,稱為壓縮孿晶。鎂的c/a=1.6236<1.732,最常見的{1012}孿晶14151.7[屆,國(guó)g叩IOS?0.-10.10圖14151.7[屆,國(guó)為拉伸孿晶。圖7給出了hcp金屬主要孿生模式的剪切應(yīng)力s與軸比c/a之間的關(guān)系。斜率為負(fù)時(shí)為拉伸孿晶,斜率為正時(shí)為壓縮孿晶。從圖上可以看到,對(duì)于鎂及鎂合金,{1012}和{1121}為拉伸孿晶,而{1122}和{1011}為壓縮孿晶。對(duì)于沒有織構(gòu)的材料,在拉伸和壓縮過程中產(chǎn)生孿生的應(yīng)力未發(fā)現(xiàn)有不同,但孿晶的體積分?jǐn)?shù)和含孿晶的晶粒數(shù)在壓縮過程中明顯高于拉伸過程中。J.W.Christian等認(rèn)為:晶粒在外加壓應(yīng)力條件下比在外加拉應(yīng)力條件下更容易發(fā)生孿生變形。6.5變形溫度hcp金屬在室溫變形中,啟動(dòng)孿生切變和非基面滑移的CRSS遠(yuǎn)高于啟動(dòng)基面滑移的CRSS。當(dāng)發(fā)生非彈性應(yīng)變引起應(yīng)力的高度集中時(shí),孿生和非基面滑移才有可能被啟動(dòng),并成互相競(jìng)爭(zhēng)的兩種塑性變形機(jī)制。而孿生不同于滑移的另一個(gè)特性是它的形核并不是熱激活的過程,而是應(yīng)力激活的過程。隨著變形溫度的降低,非基面滑移的CRSS急聚上升,而孿生的CRSS只有略微變化,孿生一旦形核,在很大的溫度范圍內(nèi),孿晶的生長(zhǎng)比滑移的傳播更容易。因此,溫度越低,非基面滑移越不易啟動(dòng),孿生對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)越大。而在高溫下,具有熱激活特征的非基面滑移則成為釋放應(yīng)力集中、協(xié)調(diào)塑性變形的主要機(jī)制,孿生對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)減小。[10]第7章攣生對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)由于孿生切變量遠(yuǎn)小于滑移變形量,所以一般認(rèn)為,孿生本身對(duì)晶體塑性變形的直接貢獻(xiàn)并不大,但孿生的作用在于調(diào)節(jié)晶體的取向,激發(fā)進(jìn)一步的滑移和孿生,使滑移和孿生交替進(jìn)行,從而獲得較大的變形。研究表明,鎂合金在塑性變形過程中,孿生及孿晶的作用可歸納為以下幾點(diǎn):作為一種補(bǔ)充變形機(jī)制,提供附加的獨(dú)立滑移系,提高低溫塑性變形能力。改變晶粒取向,促進(jìn)持續(xù)變形。孿晶之間相互作用,發(fā)生二次或高次孿生,提高合金的塑性。釋放局部應(yīng)力,減小裂紋形核,鈍化裂紋尖端,阻礙裂紋的擴(kuò)展。與滑移相互作用,激活錐面滑移。成為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核點(diǎn),增大動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度范圍,細(xì)化晶粒,提高均勻塑性變形能力。雖然孿晶可能成為裂紋源,但它并不是裂紋產(chǎn)生的必要條件,因此總的來說,孿生對(duì)塑性變形的作用是有利的。第8章結(jié)論鎂合金因其室溫滑移系少、冷加工困難而制約著它的發(fā)展和應(yīng)用,而孿生作為鎂合金室溫變形的主要機(jī)制之一,可以通過

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