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金屬材料力學(xué)性能測(cè)試彎曲第1頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§
概述金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出的諸如強(qiáng)度、塑性、彈性等等力學(xué)特性稱為材料的力學(xué)性能,而衡量金屬材料力學(xué)性能的指標(biāo)統(tǒng)稱為力學(xué)(機(jī)械)性能指標(biāo),這些指標(biāo)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的。本章就依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)討論這些指標(biāo)的意義及測(cè)定方法。第2頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)室是測(cè)定材料力學(xué)性能的最常用的一種方法。按國(guó)標(biāo)GB6397—86《金屬材料試驗(yàn)試樣》規(guī)定,拉伸試樣分為比例試樣和定標(biāo)距試樣兩種。一、拉伸試樣第3頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三其中為試樣標(biāo)距,為試樣橫截面面積,比例系數(shù),一般取5.65或11.3,前者稱短試樣,后者稱長(zhǎng)試樣。1、比例計(jì)算(1)比例計(jì)算的標(biāo)距和橫截面面積之間存在如下比例關(guān)系,即§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第4頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)(3)圓截面試樣的形狀如圖所示,它分為三個(gè)部分。工作部分長(zhǎng)度,一般不小于。(2)對(duì)于圓截面試樣,短長(zhǎng)比例試樣的標(biāo)距分別取和。第5頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三第6頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第7頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三第8頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三定標(biāo)距試樣的原始標(biāo)距與橫截面間無(wú)比例關(guān)系,一般取,。2、定標(biāo)距試樣§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第9頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三通常從產(chǎn)品、壓制坯或鑄錠切取樣坯經(jīng)機(jī)加工制成試樣。但具有恒定橫截面的產(chǎn)品(型材、棒材、線材等)和鑄造試樣(鑄鐵和鑄造非鐵合金)可以不經(jīng)機(jī)加工而進(jìn)行試驗(yàn)。取樣部位、取樣方向和取樣數(shù)量是對(duì)材料性能試驗(yàn)結(jié)果影響較大的3個(gè)因素,被稱為取樣三要素。3、取樣與制樣第10頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)二、引伸計(jì)引伸計(jì)是測(cè)量構(gòu)件及其他物體兩點(diǎn)之間線變形的一種儀器,通常由傳感器、放大器和記錄器三部分組成。傳感器直接和被測(cè)構(gòu)件接觸。構(gòu)件變形,傳感器隨著變形,并把這種變形轉(zhuǎn)換為機(jī)械、光、電、聲等信息,放大器將傳感器輸出的微小信號(hào)放大。記錄器(或讀數(shù)器)將放大后的信號(hào)直接顯示或自動(dòng)記錄下來(lái)。
第11頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)圖1千分表原理圖圖2拉桿式引伸計(jì)第12頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)圖4電容式引伸計(jì)圖6電阻式引伸計(jì)第13頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)圖5電感式引伸計(jì)第14頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)正應(yīng)力:切應(yīng)力:應(yīng)力σ=F/S應(yīng)變?chǔ)?△L/L,Ψ=?S/S第15頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第16頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三由于而A0l均為常量,故兩圖形形狀相同。二、拉伸圖及應(yīng)力—應(yīng)變圖下圖為低碳鋼的拉伸圖和應(yīng)力—應(yīng)變圖?!?.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第17頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三具有物理屈服現(xiàn)象的金屬材料,其拉伸曲線的類型有如下一些情況:§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第18頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)3)屈服極限:各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)定義如下:5)斷裂強(qiáng)度:2)彈性極限:1)比例極限:4)強(qiáng)度極限:第19頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三各應(yīng)力指標(biāo)的定義及測(cè)試方法:圖解法的測(cè)試方法:定義:應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系的最大應(yīng)力值。1、比例極限§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第20頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)2、彈性極限定義:材料由彈性變形過(guò)渡到彈性-塑性變形的應(yīng)力。
的測(cè)試方法:試樣卸力后,殘余伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。這種應(yīng)力是在卸力后測(cè)定的。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以殘余伸長(zhǎng)為0.01%的應(yīng)力作為規(guī)定的彈性極限。第21頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三無(wú)特殊要求的情況下,一般只測(cè)量屈服點(diǎn)或下屈服點(diǎn)。3)下屈服點(diǎn):2)上屈服點(diǎn):1)屈服點(diǎn):§4.2金屬材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能3、屈服極限第22頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第23頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)3、屈服極限對(duì)于沒(méi)有屈服現(xiàn)象的材料,規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度,以表示測(cè)量方法與彈性極限相似。第24頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)4、強(qiáng)度極限(抗拉強(qiáng)度)定義:曲線上最大應(yīng)力為強(qiáng)度極限。標(biāo)志:出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。第25頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)5、斷裂強(qiáng)度定義:試樣拉斷時(shí)的真實(shí)應(yīng)力,表征材料對(duì)斷裂的抗力。第26頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三式中::試樣斷后標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)材料的塑性指標(biāo)及其測(cè)定:試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度。1)定義:試樣拉斷后,其標(biāo)距部分的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。1、斷后伸長(zhǎng)率§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第27頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三2、移位法。1、直測(cè)法。2)的測(cè)定方法§
1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第28頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三(1)直接法:當(dāng)試樣拉斷處到標(biāo)距端點(diǎn)的距離均大于1/3L0時(shí),直接測(cè)量標(biāo)距兩端點(diǎn)之間的距離Lk。
第29頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三(2)移位法如果試樣拉斷處到標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于1/3L0時(shí),應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定采用斷口移中的辦法,計(jì)算Lk長(zhǎng)度。試驗(yàn)前要在試件標(biāo)距內(nèi)等分劃十個(gè)格子。試驗(yàn)后,將試件對(duì)接在一起,從斷口為起點(diǎn)O,在長(zhǎng)段上取基本等于短段的格數(shù)得B點(diǎn)。計(jì)算Lk方法如下:第30頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三第31頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三當(dāng)斷口非??拷嚰啥耍c其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時(shí),一般認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效,需要重新試驗(yàn)。同一材料的試樣長(zhǎng)短不同,測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率略有不同。比例試樣的尺寸越短,其斷后伸長(zhǎng)率越大。第32頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三3)試樣尺寸對(duì)的影響說(shuō)明對(duì)于塑性材料,斷裂前變形集中在縮頸處,距離斷口位置越遠(yuǎn),變形越小。因此,斷口在標(biāo)距間的位置對(duì)延伸率是有影響的。也就是說(shuō)試樣斷裂后的塑性變形可分為兩部分:1、頸縮出現(xiàn)前的均勻伸長(zhǎng)。2、頸縮出現(xiàn)后的局部伸長(zhǎng)。其中與原始的標(biāo)距長(zhǎng)度有關(guān);與原始橫截面面積有關(guān)。§1.1金屬材料拉試驗(yàn)第33頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三1)的定義:試樣拉斷后,頸縮處橫截面面積的最大縮減量與原始橫截面面積的百分比。2、斷后收縮率2)的測(cè)定為試樣斷裂后,頸縮處最細(xì)部分的橫截面面積。式中:為試樣原始橫截面面積;§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第34頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)一般在液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)或電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。WE系列液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)是一種適用性強(qiáng)、用途廣的試驗(yàn)機(jī),系列規(guī)格有l(wèi)00KN、300KN、600KN、1000KN,當(dāng)然也有特殊規(guī)格,目前為一般力學(xué)實(shí)驗(yàn)室普遍配套使用。第35頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三油壓式拉伸試驗(yàn)機(jī)第36頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三傳感器式拉伸試驗(yàn)機(jī)第37頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)第38頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第39頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三金屬扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn):扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是金屬力學(xué)性能試驗(yàn)中的一種重要試驗(yàn)方法。對(duì)于某些承受切應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的零件如傳動(dòng)主軸、彈簧、鉆桿等,具有重要的實(shí)際意義。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)材料的塑性,尤其是在拉伸試驗(yàn)時(shí)呈脆性的材料,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是評(píng)價(jià)其塑性的最佳方法。圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí),試樣從開(kāi)始變形直至破壞,其長(zhǎng)度和截面尺寸幾乎保持不變。試樣沿標(biāo)距長(zhǎng)度的塑性變形始終是均勻發(fā)生的,沒(méi)有縮頸現(xiàn)象出現(xiàn),因此,對(duì)于那些塑性好的材料用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法可以精確地測(cè)定其應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系?!?.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第40頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以明顯的區(qū)別材料的斷裂方式是正斷還是切斷。能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。因此,可利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究或檢驗(yàn)工件熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果。缺點(diǎn):截面上的應(yīng)力分布不均勻,表面處最大,越往心部越小,心部材料的缺陷不能很好體現(xiàn).第41頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)1、特點(diǎn)
(1)能檢測(cè)在拉伸時(shí)呈脆性的材料的塑性性能。
(2)長(zhǎng)度方向,宏觀上的塑性變形始終是均勻的。(3)能敏感地反映材料表面的性能
(4)斷口的特征最明顯
(正斷、切斷、層狀斷口等)§1.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第42頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三2、應(yīng)力狀態(tài)
縱向受力均勻;
橫向表面最大,心部為0;最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力相等。第43頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)在三向應(yīng)力狀態(tài)下,最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值稱為應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù),用表示。越大,最大切應(yīng)力分量越大,表示應(yīng)力狀態(tài)越軟,材料越易于產(chǎn)生塑性變形。反之,越小,表示應(yīng)力狀態(tài)越硬,材料越容易產(chǎn)生脆性斷裂。第44頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三不同的加載方式下材料具有不同的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)(v=0.25)第45頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能試樣主要采用圓形截面,推薦直徑為,標(biāo)距分別為、,平行長(zhǎng)度相應(yīng)為、,若為其他尺寸的直徑則。一、扭轉(zhuǎn)試件第46頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三2、扭轉(zhuǎn)計(jì)1、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備§1.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第47頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三1、定義:試樣扭轉(zhuǎn)時(shí),其標(biāo)距部分外表面上的非比例剪應(yīng)變達(dá)到規(guī)定數(shù)值時(shí),按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算的剪應(yīng)力即為規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。例如:一般用分別作為“條件扭轉(zhuǎn)比例極限”和“扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度”。(2)逐級(jí)加載法(1)圖解法2、測(cè)試方法:三、扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能測(cè)試(一)規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的測(cè)定§1.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第48頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三(1)屈服點(diǎn):在扭轉(zhuǎn)曲線上出現(xiàn)屈服平臺(tái)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力扭矩,按彈性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式計(jì)算的切應(yīng)力。(二)扭轉(zhuǎn)屈服性能指標(biāo)1、定義:§1.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第49頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三§1.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能(2)上屈服點(diǎn):扭轉(zhuǎn)曲線上首次發(fā)生下降的最大扭矩,按彈性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式計(jì)算剪應(yīng)力。(3)下屈服點(diǎn):扭轉(zhuǎn)曲線上的屈服階段中最小扭矩,按彈性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式計(jì)算的剪應(yīng)力。第50頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三2、測(cè)試方法(2)指針?lè)ǎ?)圖解法§1.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第51頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三(三)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的測(cè)定2、測(cè)定方法(按定義做即可)1、定義:試樣扭斷前承受的最大扭矩,按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算的試樣表面最大切應(yīng)力?!?.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第52頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三(四)最大非比例剪應(yīng)變1、定義:試樣扭斷時(shí),其外表面上的最大非比例剪應(yīng)變,即為最大非比例剪應(yīng)變以表示?!?.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第53頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三公式中:為試樣直徑。為試樣標(biāo)距范圍的最大扭轉(zhuǎn)角。為試樣按公式:(1)圖解法2、測(cè)定方法§1.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第54頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三1、定義:扭轉(zhuǎn)時(shí),剪應(yīng)力與剪應(yīng)變成線性比例關(guān)系范圍內(nèi),剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比稱為剪切彈性模量,以表示。(五)剪切彈性模量的測(cè)定§1.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第55頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三其中:為抗扭慣性矩為扭轉(zhuǎn)計(jì)標(biāo)距。按公式(1)作圖法2、測(cè)試方法(2)逐級(jí)加載法?!?.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第56頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三性能指標(biāo)修改值(六)扭轉(zhuǎn)性能數(shù)據(jù)的修改§1.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能第57頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三金屬?gòu)澢囼?yàn)及其工程意義金屬?gòu)澢囼?yàn)是將一定形狀和尺寸的試樣放置于彎曲裝置上,將材料試樣圍繞具有一定直徑的彎心彎曲至規(guī)定的角度或不帶彎心彎到兩面接觸(即彎曲180o,彎心直徑d=0)后,卸除試驗(yàn)力,檢查試樣承受變形的能力。試驗(yàn)一般在室溫下進(jìn)行,所以也常稱為冷彎試驗(yàn)。§1.3金屬?gòu)澢囼?yàn)第58頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三第59頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三它的目的有二:一是用于檢定金屬材料彎曲成一定形狀和尺寸后的變形能力,二是顯示其缺陷。記錄彎曲力p和試樣撓度f(wàn)之間的關(guān)系§1.3金屬?gòu)澢囼?yàn)第60頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三一、金屬?gòu)澢W(xué)性能試驗(yàn)特點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)與靜拉伸時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)基本相同。彎曲試驗(yàn)不受試樣偏斜的影響。彎曲試驗(yàn)不能使塑性很好的材料破壞,不能測(cè)定其斷裂彎曲強(qiáng)度。試樣上表面應(yīng)力最大,可以較靈敏地反映材料表面缺陷情況?!?.3金屬?gòu)澢囼?yàn)第61頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí),將圓形或矩形及方形試樣放置在一定跨距L的支座上,進(jìn)行三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn),對(duì)于圓形、矩形橫截面試樣,一般每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)需試驗(yàn)3個(gè)試樣;對(duì)于薄板試樣,每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)至少試驗(yàn)6個(gè)試樣,試驗(yàn)時(shí),拱面向上和向下各試驗(yàn)3個(gè)試樣?!?.3金屬?gòu)澢囼?yàn)第62頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三(a)三點(diǎn)彎曲加載(b)四點(diǎn)彎曲加載第63頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三二、金屬?gòu)澢W(xué)性能的確定通過(guò)彎曲試驗(yàn)得到的彎曲載荷和試樣彎曲撓度的關(guān)系曲線稱為彎曲圖,鑄鐵的彎曲力F-撓度f(wàn)曲線§1.3金屬?gòu)澢囼?yàn)第64頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三試樣彎曲時(shí),受拉側(cè)表面的最大正應(yīng)力:M——最大彎矩。
對(duì)三點(diǎn)彎曲M=PL/4;對(duì)四點(diǎn)彎曲M=PK/2。W——抗彎截面系數(shù)。對(duì)于直徑為d的圓形試樣,;對(duì)于寬度為b,高為h的矩形試樣,W=bh2/6計(jì)算脆性材料的抗彎強(qiáng)度:(Mb為斷裂時(shí)的彎矩,讀出Pbb)
第65頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三1.抗彎強(qiáng)度σbb彎曲試驗(yàn)主要測(cè)定脆件或低塑性材料的抗彎強(qiáng)度。試樣彎曲至斷裂前達(dá)到的、按彈性彎曲應(yīng)力公式計(jì)算得到的最大彎曲應(yīng)力就是材料的抗彎強(qiáng)度,用符號(hào)σbb表示?!?.3金屬?gòu)澢囼?yàn)第66頁(yè),共79頁(yè),2023年,2月20日,星期三σbb是鑄鐵的重要力學(xué)性能指標(biāo)。灰鑄鐵的抗彎性能優(yōu)于抗拉性能,球鐵和可鍛鑄鐵的σbb比灰鑄鐵的大得多,如珠光體球鐵的
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