CN105738224A - 电子枪热子组件的力学性能测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子枪热子组件的力学性能测试方法，包括如下步骤：(1)取至少两件待测热子组件；(2)在各待测热子组件中的热子上标记出原始标距段，测定原始标距L0和S0；(3)测试实际真空环境下不同温度值所述待测热子组件的屈服强度σ0.2和抗拉强度σb；(4)采用线性拟合建立所述待测热子组件的屈服强度σ0.2或抗拉强度σb随温度变化的线性关系式；(5)依据所述线性关系式，计算得出实际工作温度值下的所述待测热子组件的屈服强度σ0.2或抗拉强度σb，即可。该测试方法能够准确测量热子或热子与铂金片和/或阴极头的组合在真空、高温的工作环境下的力学拉伸性能参数，解决了工程需求的测试难题。

Description

电子枪热子组件的力学性能测试方法
技术领域
本发明涉及电子枪性能测试领域，特别是涉及一种电子枪热子组件的力学性能测试方法。
背景技术
电子枪是现代雷达、电子对抗、中继通信、卫星通信、电视直播卫星、导航、遥感、遥控、遥测等电子设备中重要的功能器件。作为电子枪的核心组件，热子组件主要由热子(钨铼丝)、铂金片以及阴极头三部分组成。
电子枪正常工作时里面热子组件的温度非常高，阴极的温度达到1000℃左右，热子工作温度达1200℃多度，在其使用的过程中，通常还伴随着振动、冲击等外部环境应力，在这些因素的综合作用下，热子及热子组件均有可能发生断裂，断裂有时出现在热子组件的热子上，有时出现在热子组件中的热子与铂金片连接的焊点处。据统计，热丝及热子组件断裂占到电子枪失效的16％以上，是其主要的损伤模式之一，因此，为了研究电子枪的可靠性，对其热子和热子组件进行热力耦合断裂特性分析是十分必要的，而国内外对此问题的研究尚处于初步阶段，仅从实际应用中发现此问题，还没有这方面的技术参考和相关报道，对其系统的研究也还没有展开。
基于此，寻求一种新的试验测试技术手段来研究电子枪热子组件的高温力学特性，具有十分积极的意义，同时也是解决工程上电子枪可靠性设计的关键。
发明内容
基于此，有必要提供一种电子枪热子组件的力学性能测试方法。
一种电子枪热子组件的力学性能测试方法，包括如下步骤：
(1)取至少两件待测热子组件，所述待测热子组件为热子或热子与铂金片和/或阴极头的组合；
(2)在各待测热子组件中的热子上标记出原始标距段，测定该原始标距段的长度作为原始标距L0，并在所述原始标距段内测量所述热子的直径，计算得出原始横截面面积S0；
(3)依据各待测热子组件的原始标距L0和原始横截面面积S0，对各待测热子组件进行拉伸试验：在所述待测热子组件实际工作中的真空条件下，将各待测热子组件分别置于不同温度值条件下拉伸至断裂，测得在不同温度值下所述待测热子组件的屈服强度σ0.2和抗拉强度σb；
(4)采用线性拟合建立所述待测热子组件的屈服强度σ0.2或抗拉强度σb随温度变化的线性关系式；
(5)依据所述线性关系式，计算得出实际工作温度值下的所述待测热子组件的屈服强度σ0.2或抗拉强度σb，即可，或，
(6)重复步骤(1)-(5)，取实际工作温度值下的所述待测热子组件的屈服强度σ0.2或抗拉强度σb的平均值，即可。
在其中一个实施例中，所述待测热子组件的数量为两件，步骤(3)所述拉伸试验为：取一件待测热子组件，在所述待测热子组件实际工作中的真空条件，温度25℃条件下拉伸至断裂；另一待测热子组件，在所述待测热子组件实际工作中的真空条件下，升温至800℃后再拉伸至断裂，分别测得25℃和800℃下所述待测热子组件的屈服强度σ0.2和抗拉强度σb。
在其中一个实施例中，所述升温至800℃的方法为：控制加热速率为29-31℃/min，温度偏差为±2℃，升至800℃后保温3-10分钟。
在其中一个实施例中，步骤(3)所述拉伸至断裂的过程中，拉伸控制加载方式为采用位移控制的静拉伸，位移速率为0.01mm/sec，相应的应变速率为6.7×10-4。
在其中一个实施例中，所述待测热子组件为热子，步骤(3)中采用高温拉伸疲劳试验机(日本岛津公司生产的SEM-SERVO)对各待测热子组件进行拉伸试验，所述高温拉伸疲劳试验机具有用于所述拉伸试验中固定所述待测热子组件的夹具，
所述夹具包括镜像对称的第一夹具和第二夹具，所述第一夹具和所述第二夹具均包括相互连接的夹座和夹头，所述夹头设有至少一个定位孔，所述夹座与所述夹头连接的一端设有夹持部，所述夹持部为弧面结构，所述弧面结构的截面尺寸由所述夹座至所述夹头呈逐渐递减的趋势。
在其中一个实施例中，所述弧面结构的圆弧角的范围为20-40度，圆弧半径的范围为8-11mm。
在其中一个实施例中，所述待测热子组件为热子与铂金片和阴极头的组合，步骤(3)中采用高温拉伸疲劳试验机对各待测热子组件进行拉伸试验，所述高温拉伸疲劳试验机具有用于所述拉伸试验中固定所述待测热子组件的夹具，
所述夹具包括相对设置的第一夹具组件和第二夹具组件，所述第一夹具组件包括互相连接的第一上夹块和第一下夹块，所述第一下夹块包括互相连接的第一夹座和第一夹头，所述第一夹座与所述第一夹头的连接处设有第一圆弧夹持段，所述第一圆弧夹持段的截面尺寸由所述第一夹座至所述第一夹头呈递减的趋势，所述第一上夹块和第一下夹块之间形成夹紧部，
所述第二夹具组件包括互相连接的第二上夹块和第二下夹块，所述第二下夹块包括互相连接的第二夹座和第二夹头，所述第二夹座与所述第二夹头的连接处设有第二圆弧夹持段，所述第二圆弧夹持段的截面尺寸由所述第二夹座至所述第二夹块呈递减的趋势，所述第二夹头设有第一容纳槽，所述第二上夹块与所述第一容纳槽相对的侧面上设有第二容纳槽，所述第一容纳槽和所述第二容纳槽配合形成夹紧腔室。
在其中一个实施例中，所述高温拉伸疲劳试验机中传感器的载荷量程为0.5-2kN，载荷精度为示值的0.1-1％，位移量程20-30mm，位移精度为0.5-2μm。
在其中一个实施例中，还可以通过所述高温拉伸疲劳试验机的扫描电镜进行所述待测热子组件的断口观察分析，所述扫描电镜的型号为SSX-550，观察时所述扫描电镜的加速电压为14-16kV，工作距离19-21mm。
在其中一个实施例中，步骤(2)所述热子的直径的测量方法为：将所述热子置于SEM电镜(扫描电镜)下，放大后利用PS软件分别在所述原始标记段内的两端及中部位置进行直径测量，取最小值作为所述热子的直径。
本发明的原理的及优点如下：
电子枪内部为真空环境，工作状态下的热子组件的温度可达上千度，而对于电子枪热子组件的断裂特性分析关键性的研究是要摸清热子组件在其工作环境下的基本力学拉伸性能参数。
热子组件的断裂大部分发生于热子之上，其它可能发生于热子与铂金片或阴极头的焊点连接处，热子是尺寸量级非常微小(直径为几十微米级)的钨铼特种合金丝，而金属材料在拉伸过程中通常经过以下四个阶段：
(1)弹性阶段：在此阶段试样的变形是弹性的，在弹性范围内服从虎克定律；
(2)屈服阶段：在超过弹性阶段后出现明显的屈服过程，即应力增加很少，变形快速增加，强度设计中常以屈服极限σ0.2作为确定许可应力的基础；
(3)强化阶段：屈服阶段结束后材料恢复了对继续变形的抵抗能力，材料若要继续变形必须施加足够的载荷，抗拉强度σb是材料均匀塑性变形的最大抵抗能力，也是材料进入颈缩阶段的标志；
(4)颈缩阶段：应力到达强度极限后，开始在试样最薄弱处出现局部变形，从而导致试样局部截面急剧颈缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直至断裂，断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在断裂的试样上。
基于此，本发明所述电子枪热子组件的力学性能测试方法，以各待测热子组件中热子的原始标距L0和原始横截面面积S0作为参照，在热子组件实际工作中的真空环境，测得在不同温度值下所述待测热子组件的屈服强度σ0.2和抗拉强度σb，再采用线性拟合建立待测热子组件的屈服强度σ0.2或抗拉强度σb随温度变化的线性关系式，从而计算得出实际工作温度值下的所述待测热子组件的屈服强度σ0.2或抗拉强度σb，由此获得热子组件的基本力学拉伸性能，为其断裂特性分析提供依据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明设计了一套完整的针对电子枪热子组件的高温原位拉伸测试方法。该测试方法能够准确测量热子或热子与铂金片和/或阴极头的组合在真空、高温的工作环境下的力学拉伸性能参数，同时发展了一套线性试验拟合的方法，可以获取热子在工作温度下的屈服强度σ0.2和抗拉强度σb，解决了工程需求的测试难题。
附图说明
图1为实施例所述电子枪热子组件的力学性能测试方法的流程图；
图2为用于热子安装的夹具结构示意图；
图3为实施例测得的热子σ-ε曲线；
图4为热子拉伸断裂后的断口观察图；
图5为热子原位拉伸过程观察图；
图6为用于热子与铂金片和阴极头组件安装的夹具结构示意图；
图7为图6所示夹具中所述的第一夹具组件的侧视图；
图8为图6所示夹具中所述的第二夹具组件的侧视图，其中，
10、第一夹具，20、第二夹具，30、夹座，32、夹持部，40、夹头，42、定位孔；
100、第一夹具组件，120、第一上夹块，140、第一下夹块，142、第一夹座，144、第一夹头，146、第一圆弧夹持段，160、第一装配孔，200、第二夹具组件，220、第二上夹块，240、第二下夹块，242、第二夹座，244、第二夹头，245、第二圆弧夹持段，246、第一容纳槽，248、第二容纳槽，260、第二装配孔，300、夹紧部，400、夹紧腔室，500、第一锁紧件，600、第二锁紧件。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的电子枪热子组件的力学性能测试方法作进一步详细的说明。
实施例
本实施例一种电子枪热子组件的力学性能测试方法，待测的热子组件为热子，测试流程图见图1，具体步骤如下：
(1)选定实验测试设备：选择日本岛津公司生产的SEM-SERVO进行实验测试，该设备能够提供电子枪热子组件工作时所需的真空、高温环境，且能够通过SEM进行原位观察；
(2)标记样品原始标距L0：用划线机在热子上划细的圆周线标记标距段原始长度作为原始标距L0；
(3)对样品原始横截面面积S0的测定：由于热子直径非常小，故将其放入SEM电镜下，通过放大后利用PS软件进行测量，热子为圆形横截面试样，分别在标距段内两端及中部测量直径，原始横截面面积S0取三处测得的最小直径计算，测量某处的直径时，应在该处测量两个互垂方向的直径，取其算术平均值；
(4)选择传感器并安装：由于是微小结构件的测试，SEM-SERVO自带传感器通常量程都超过5kN，需要更换更小量程的传感器，选择的传感器载荷量程为1kN，载荷精度为示值的0.5％(比如50N的载荷其偏差只有0.25N)，位移量程为25mm，位移精度为1μm；
(5)安装样品并对加热夹持腔体抽真空：由于热子为非标器件，为了更好的对其进行稳固装夹，以保证测试结果的精确性，通过特制夹具完成热子的安装，该夹具由310耐热型不锈钢材料制成，结构如图2所示：
包括镜像对称的第一夹具10和第二夹具20，厚度均为1.5-2.5mm，第一夹具10和第二夹具20均包括相互连接的夹座30和夹头40，夹头40设有两个定位孔42，直径范围为0.5-2.5mm，夹座30与夹头40连接的一端设有夹持部32，夹持部32为弧面结构，所述弧面结构的截面尺寸由夹座30至夹头40呈逐渐递减的趋势，圆弧角的范围为20-40度，圆弧半径的范围为8-11mm，由此在适用于SEM-SERVO的同时使夹具整体尺寸更加轻小，便于夹具的制造，
测试时，该夹具的第一夹具10和第二夹具20的夹头相对布置安装于SEM-SERVO的加热夹持腔体内的热阻丝的两侧的夹持装置处，热子的两端则分别缠绕固定于定位孔42，以防止其产生移位，影响测试精度，
然后再利用密封盖将加热夹持腔体封闭，通过控制台软件将腔体抽真空；
(6)常温(25℃)拉伸实验：先对热子进行常温拉伸直至断裂，通过数据拟合得到相应的拉伸曲线σ-ε，得到样品在常温下的关键力学性能参数屈服强度σ0.2和抗拉强度σb，其原理如下：
设F为轴向拉力(单位牛顿)，ΔL为样品原始标距L0的伸长量(单位，毫米)，F-ΔL曲线(拉伸曲线)与试样的尺寸有关，为了消除试样尺寸的影响，把轴向力F除以试样横截面的原始面积S0就得到了名义应力，也叫工程应力，用σ表示，同样，试样在标距段的伸长ΔL除以试样的原始标距L0得到名义应变，也叫工程应变，用ε表示，σ-ε曲线与F-ΔL曲线形状相似，但消除了几何尺寸的影响，因此代表了材料本质属性，即材料的本构关系。最终在σ-ε曲线上得出关键力学性能参数屈服强度σ0.2和抗拉强度σb，某一样品的热子σ-ε曲线如图3所示，通过做特定位置的曲线斜率即可求得屈服强度和抗拉强度；
(7)高温原位拉伸：保持真空条件，另选一组热子样品进行800℃高温试验，从室温到800℃的加热速率为30℃/min，温度偏差为±2℃，保温5分钟后将加热夹持腔体推入到SEM下方的观察箱体内并密封，通过软件控制拉伸装置进行拉伸并实时观察拉伸结果，原位拉伸控制加载方式为静拉伸，采用位移控制，位移速率为0.01mm/sec，相应的应变速率为6.7×10-4，后台软件自动保存各种数据，等出现样品断裂报警声停止实验，通过数据拟合得到相应的拉伸曲线σ-ε，得到样品在高温800℃下的关键力学性能参数强度σ0.2和抗拉强度σb；
(8)采用线性拟合(梯度拟合)建立样品的屈服强度σ0.2或抗拉强度σb随温度变化的线性关系式，依据所述线性关系式，计算得出实际工作温度值下的所述待测热子组件的屈服强度σ0.2和抗拉强度σb：
常温和800℃高温下的抗拉强度试验测量值分别为8.99GPa、7.22GPa，拟合其1299℃下的抗拉强度为8.99-[(8.99-7.22)/(800-25)]*(1299-25)＝6.08GPa，屈服强度的计算同理，由此获得热子在工作状态下的临界断裂强度；
(9)断口观察分析：断口及原位观察采用SEM-SERVO自带的扫描电镜进行观察，扫描电镜型号为SSX-550，观察时其加速电压为15kV，工作距离20mm，利用断口学知识对拉伸断裂样品的断口观测分析：
通过原位观察热子断口见图4和图5：从图5(a)可以看出，热子室温断裂前发生了颈缩，表明其室温具有较大的塑性，断面收缩率ψ为62.5％，并且从图5(b)可以看出，断口表面及侧面充满了纤维状断裂特征，表明其组织中存在大量的束状组织，可能形成了某一取向的织构，致使其强度得到了极大地提升；从图5(a)可以看出，热子表面有一定数量的裂痕存在。这种裂痕沿着丝的长度方向，在丝拉伸变形时可以充当裂纹使丝沿侧面开裂(见图5(b))，但由于是纵向裂纹，沿着拉伸方向，因此对强度的影响有限，图5(b)显示出该丝表面出现一些微小的孔洞，尽管孔洞很小，但相比丝的直径来说也不可忽略，对拉伸数据可能产生一定的影响；
(10)选取新的样品重复步骤(2)-(9)：多次测量分别取屈服强度与抗拉强度的平均值作为最终测试结果。
上述测试方法可同理适用于热子与铂金片和阴极头的组合的力学性能测试，由于热子与铂金片和阴极头的组合也为非标器件，为了更好的对其进行稳固装夹，以保证测试结果的精确性，通过特制夹具完成热子的安装，该夹具由310耐热型不锈钢材料制成，结构如图6-8所示：
包括相对设置的第一夹具组件100和第二夹具组件200，第一夹具组件100包括互相连接的第一上夹块120和第一下夹块140，第一上夹块120和第一下夹块140之间形成夹紧部300，用于容纳热子组件中热子的一端以实现夹紧的目的，第一下夹块140包括互相连接的第一夹座142和第一夹头144，第一夹座142与第一夹头144的连接处设有第一圆弧夹持段146，其截面尺寸由第一夹座142至第一夹头144呈递减的趋势，由此可以方便在上述SEM-SERVO的加热夹持腔体内的夹持装置处上进行装夹固定，也可以减轻夹具的整体重量，降低制造成本，第一上夹块120和第一下夹块140可通过第一紧锁件500与第一装配孔160的螺纹配合连接；
第二夹具组件200包括互相连接的第二上夹块220和第二下夹块240，第二上夹块220和第二下夹块240之间形成夹紧腔室400，第二下夹块240包括互相连接的第二夹座242和第二夹头244，第二夹座242与第二夹头244的连接处设有第二圆弧夹持段245，其截面尺寸由第二夹座242至第二夹头244呈递减的趋势，第二夹头244设有第一容纳槽246，第二上夹块220与第一容纳槽246相对的侧面上设有第二容纳槽248，第一容纳槽246和第二容纳槽248配合形成夹紧腔室400，用于容纳热子组件中阴极头的一端以实现夹紧的目的，同时在装拆时也不会对阴极头表面造成划伤，影响其外观和寿命，同理，第二上夹块220和第二下夹块240也可通过第二紧锁件600与第二装配孔260的螺纹配合连接，
测试时，该夹具的第一夹具组件100的第一下夹块140和第二夹具组件200的第二下夹块240相对布置安装于SEM-SERVO的加热夹持腔体内的热阻丝的两侧的夹持装置处，调节设备的电旋钮开关，施加较小的预紧力使夹具夹紧热子组件，力的施加速度控制在2N/次。
该实施例测试方法能够准确测量热子或热子与铂金片和阴极头的组合在真空、高温的工作环境下的力学拉伸性能参数，获取热子在工作温度下的屈服强度σ0.2和抗拉强度σb，解决了工程需求的测试难题。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电子枪热子组件的力学性能测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取至少两件待测热子组件，所述待测热子组件为热子或热子与铂金片和/或阴极头的组合；
(2)在各待测热子组件中的热子上标记出原始标距段，测定该原始标距段的长度作为原始标距L0，并在所述原始标距段内测量所述热子的直径，计算得出原始横截面面积S0；
(3)依据各待测热子组件的原始标距L0和原始横截面面积S0，对各待测热子组件进行拉伸试验：在所述待测热子组件实际工作中的真空条件下，将各待测热子组件分别置于不同温度值环境下拉伸至断裂，测得在不同温度值下所述待测热子组件的屈服强度σ0.2和抗拉强度σb；
(4)采用线性拟合建立所述待测热子组件的屈服强度σ0.2或抗拉强度σb随温度变化的线性关系式；
(5)依据所述线性关系式，计算得出实际工作温度值下的所述待测热子组件的屈服强度σ0.2或抗拉强度σb，即可，或，
(6)重复步骤(1)-(5)，取实际工作温度值下的所述待测热子组件的屈服强度σ0.2或抗拉强度σb的平均值，即可。
2.根据权利要求1所述的电子枪热子组件的力学性能测试方法，其特征在于，所述待测热子组件的数量为两件，步骤(3)所述拉伸试验为：取一件待测热子组件，在所述待测热子组件实际工作中的真空条件，温度25℃条件下拉伸至断裂；另一待测热子组件，在所述待测热子组件实际工作中的真空条件下，升温至800℃后再拉伸至断裂，分别测得25℃和800℃下所述待测热子组件的屈服强度σ0.2和抗拉强度σb。
3.根据权利要求2所述的电子枪热子组件的力学性能测试方法，其特征在于，所述升温至800℃的方法为：控制加热速率为29-31℃/min，温度偏差为±2℃，升至800℃后保温4-6分钟。
4.根据权利要求1所述的电子枪热子组件的力学性能测试方法，其特征在于，步骤(3)所述拉伸至断裂的过程中，拉伸控制加载方式为采用位移控制的静拉伸，位移速率为0.01mm/sec，相应的应变速率为6.7×10-4。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电子枪热子组件的力学性能测试方法，其特征在于，所述待测热子组件为热子，步骤(3)中采用高温拉伸疲劳试验机对各待测热子组件进行拉伸试验，所述高温拉伸疲劳试验机具有用于所述拉伸试验中固定所述待测热子组件的夹具，
所述夹具包括镜像对称的第一夹具和第二夹具，所述第一夹具和所述第二夹具均包括相互连接的夹座和夹头，所述夹头设有至少一个定位孔，所述夹座与所述夹头连接的一端设有夹持部，所述夹持部为弧面结构，所述弧面结构的截面尺寸由所述夹座至所述夹头呈逐渐递减的趋势。
6.根据权利要求5所述的电子枪热子组件的力学性能测试方法，其特征在于，所述弧面结构的圆弧角的范围为20-40度，圆弧半径的范围为8-11mm。
7.根据权利要求1-4任一项所述的电子枪热子组件的力学性能测试方法，其特征在于，所述待测热子组件为热子与铂金片和阴极头的组合，步骤(3)中采用高温拉伸疲劳试验机对各待测热子组件进行拉伸试验，所述高温拉伸疲劳试验机具有用于所述拉伸试验中固定所述待测热子组件的夹具，
所述夹具包括相对设置的第一夹具组件和第二夹具组件，所述第一夹具组件包括互相连接的第一上夹块和第一下夹块，所述第一下夹块包括互相连接的第一夹座和第一夹头，所述第一夹座与所述第一夹头的连接处设有第一圆弧夹持段，所述第一圆弧夹持段的截面尺寸由所述第一夹座至所述第一夹头呈递减的趋势，所述第一上夹块和第一下夹块之间形成夹紧部，
所述第二夹具组件包括互相连接的第二上夹块和第二下夹块，所述第二下夹块包括互相连接的第二夹座和第二夹头，所述第二夹座与所述第二夹头的连接处设有第二圆弧夹持段，所述第二圆弧夹持段的截面尺寸由所述第二夹座至所述第二夹块呈递减的趋势，所述第二夹头设有第一容纳槽，所述第二上夹块与所述第一容纳槽相对的侧面上设有第二容纳槽，所述第一容纳槽和所述第二容纳槽配合形成夹紧腔室。
8.根据权利要求5或7所述的电子枪热子组件的力学性能测试方法，其特征在于，所述高温拉伸疲劳试验机中传感器的载荷量程为0.5-2kN，载荷精度为示值的0.1-1％，位移量程20-30mm，位移精度为0.5-2μm。
9.根据权利要求5或7所述的电子枪热子组件的力学性能测试方法，其特征在于，还可以通过所述高温拉伸疲劳试验机的扫描电镜进行所述待测热子组件的断口观察分析，所述扫描电镜的型号为SSX-550，观察时所述扫描电镜的加速电压为14-16kV，工作距离19-21mm。
10.根据权利要求1-4任一项所述的电子枪热子组件的力学性能测试方法，其特征在于，步骤(2)所述热子的直径的测量方法为：将所述热子置于SEM电镜下，放大后利用PS软件分别在所述原始标记段内的两端及中部位置进行直径测量，取最小值作为所述热子的直径。
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