CN112432828A - 金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变的测定方法,包括对待测定金属薄板材料进行切割获取平面应变拉伸试件;在平面应变拉伸试件的熔覆区域熔覆预设熔覆材料;将熔覆处理后的平面应变拉伸试件装夹在预设拉伸试验机上,将平面应变拉伸试件拉伸至发生断裂,同时获取平面应变拉伸试件断裂点的应变信息;根据平面应变拉伸试件断裂点的应变信息以及测得的断口截面厚度计算待测定金属薄板材料在平面应变路径下变形的断裂极限应变。本发明采用激光熔覆局部加强的方法进行试件处理,简单易行,突破了原有平面应变拉伸试件断裂起始位置位于缺口边缘或中心断裂点的应变路径偏离平面应变路径,无法准确测得平面应变路径断裂极限应变的瓶颈。
Description
技术领域
本发明涉及金属薄板材料的力学性能测试领域,尤其涉及一种金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变的测定方法。
背景技术
金属薄板材料广泛应用于汽车零部件的生产制造,在汽车零件的冷成形制造过程中,如果塑性应变过大,薄板材料会发生断裂,从而导致零件的失效。薄板材料在不同的应力状态下发生变形直至断裂的极限应变不同。而薄板材料往往在平面应变状态下易发生断裂。
因此,平面应变状态下的断裂极限应变的精确测定是研究薄板材料断裂行为和验证先进韧性断裂模型的关键。缺口形状的平面应变试件拉伸试验是现存文献及实际材料测试中用来测定薄板材料接近平面应变路径变形时的断裂极限应变的常用方法。然而由于缺口形状试件关键尺寸较多,目前不存在国内或者国际上的缺口形状试件标准,而且常用缺口形状的平面应变拉伸试件多存在如下两个问题:(1)当试件的缺口过小,或者中心变形区域较宽时,试件主应变最大值位于试件缺口的边缘处,试件的断裂也首先发生在试件缺口的边缘,而试件的边缘变形状态为单向拉伸状态,因此该试件无法用来研究薄板材料在平面应变状态下的断裂行为。图1显示为缺口过小或中心变形区域较宽的平面应变拉伸试件及其断裂模式。(2)当试件的缺口过大,或者中心变形区域较窄时,虽然试件的断裂起始点位于试件的中心位置,但是中心位置材料变形的应变路径会偏离平面应变路径。图2显示为中心变形区域较窄或者缺口过大的平面应变拉伸试件及其中心点应变路径图。
因此,需要一种新的薄板材料平面应变拉伸试件的设计方法,来同时满足断裂发生在试件中间且达到理想平面应变路径的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有平面应变拉伸试件无法满足研究薄板材料在平面应变状态下的断裂行为。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变的测定方法,包括:
对待测定金属薄板材料进行切割获取平面应变拉伸试件,所述平面应变拉伸试件上包括预设形状缺口;
在所述平面应变拉伸试件的熔覆区域熔覆预设熔覆材料;
将熔覆处理后的所述平面应变拉伸试件装夹在预设拉伸试验机上,按预设加载速率将所述平面应变拉伸试件拉伸至发生断裂,同时利用预设应变测量技术获取所述平面应变拉伸试件断裂点的应变信息;
根据所述平面应变拉伸试件断裂点的应变信息以及测得的断口截面厚度计算所述平面应变拉伸试件在平面应变路径下变形的断裂极限应变;
其中,所述预设形状缺口包括两个U形缺口,分别对应设置于所述平面应变拉伸试件的两侧边上;
所述熔覆区域位于两U形缺口底面所在平面之间,所述熔覆区域包括上熔覆区域和下熔覆区域,所述上熔覆区域和所述下熔覆区域之间设置有预留区域,所述上熔覆区域为矩形,所述矩形底边为向下突出的第一圆弧状,所述上熔覆区域和所述下熔覆区域关于两U形缺口中轴线对称。
优选地,对待测定金属薄板材料进行切割获取平面应变拉伸试件步骤包括:
通过电火花线切割方式或水刀切割方式对待测定金属薄板材料进行切割获取平面应变拉伸试件。
优选地,所述U形缺口宽度为18毫米,所述U形缺口内侧面与底面之间通过第二圆弧连接,所述第二圆弧半径为3毫米。
优选地,在所述平面应变拉伸试件的熔覆区域熔覆预设熔覆材料步骤包括:
用激光快速成型技术将预设熔覆材料熔化堆覆在所述平面应变拉伸试件的熔覆区域正反两面,而后通过空冷凝固,使得所述熔覆区域厚度增加0.5-1.0毫米。
优选地,所述上熔覆区域、预留区域和下熔覆区域总长度大于80毫米,所述第一圆弧半径范围为75-150毫米,所述上熔覆区域和所述下熔覆区域之间的距离通过限元分析法确定。
优选地,所述上熔覆区域宽度与两U形缺口之间距离相等,所述上熔覆区域宽度通过限元分析法确定。
优选地,根据所述平面应变拉伸试件断裂点的应变信息以及测得的断口截面厚度计算所述平面应变拉伸试件在平面应变路径下变形的断裂极限应变步骤包括:
通过所述平面应变拉伸试件断裂点沿垂直裂纹方向切出断面,制作镶块,并通过光学显微镜测量获取所述平面应变拉伸试件的断口截面厚度,再结合所述平面应变拉伸试件断裂点的应变信息计算出所述平面应变拉伸试件在平面应变路径下变形的断裂极限应变。
优选地,所述预设熔覆材料强度接近或强于所述平面应变拉伸试件材料强度。
优选地,所述预设拉伸试验机为万能拉伸试验机。
优选地,所述预设应变测量技术为数字图像相关应变测量技术。
与现有技术相比,上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果:
应用本发明实施例提供的金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变的测定方法,采用激光熔覆局部加强的方法,简单易行,突破了原有平面应变拉伸试件断裂起始位置位于缺口边缘或中心断裂点的应变路径偏离平面应变路径的瓶颈,既可以准确地获取薄板材料在平面应变路径下变形的断裂极限应变,又能为材料断裂模型的标定与实验验证提供准确的数据。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例共同用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1显示为缺口过小或中心变形区域较宽的平面应变拉伸试件及其断裂模式;
图2显示为中心变形区域较窄或者缺口过大的平面应变拉伸试件及其中心点应变路径图;
图3示出本发明实施例一测定金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变的流程示意图;
图4示出本发明实施例一中激光熔覆局部加强过程示意图;
图5示出本发明实施例一中熔覆处理后的平面应变拉伸试件结构示意图;
图6示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A的工程应力应变曲线;
图7示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A激光熔覆局部加强后的平面应变拉伸试件实物图;
图8示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A拉伸断裂后的激光熔覆局部加强平面应变拉伸试件示意图;
图9示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A激光熔覆局部加强平面应变拉伸试件断裂前一帧中心区域的应变分布图;
图10示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A激光熔覆局部加强平面应变拉伸试件中心点的应变路径;
图11示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A激光熔覆局部加强平面应变拉伸试件中心点断裂厚度测试示意图;
图12示出本发明实施例一建立简化的熔覆局部加强平面应变拉伸试件的有限元分析模型示意图;
图13出了本发明实施例一根据有限元法确定两U形缺口之间的距离的仿真结果示意图;
图14出了本发明实施例一根据有限元法确定第一圆弧半径的仿真结果示意图;
图15出了本发明实施例一根据有限元法确定上熔覆区域和下熔覆区域之间距离的仿真结果示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是,只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
金属薄板材料广泛应用于汽车零部件的生产制造,在汽车零件的冷成形制造过程中,如果塑性应变过大,薄板材料会发生断裂,从而导致零件的失效。而薄板材料往往在平面应变状态下易发生断裂,因此平面应变状态下的断裂极限应变的精确测定是研究薄板材料断裂行为和验证先进韧性断裂模型的关键。现有缺口形状的平面应变拉伸试件多存在如下两个问题:(1)当试件的缺口过小,或者中心变形区域较宽时,试件主应变最大值位于试件缺口的边缘处,试件的断裂也首先发生在试件缺口的边缘,而试件的边缘变形状态为单向拉伸状态,因此该试件无法用来研究薄板材料在平面应变状态下的断裂行为。(2)当试件的缺口过大,或者中心变形区域较窄时,虽然试件的断裂起始点位于试件的中心位置,但是中心位置材料变形的应变路径会偏离平面应变路径。
实施例一
为解决现有技术中存在的技术问题,本发明实施例提供了一种金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变的测定方法。
图3示出本发明实施例一测定金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变方法的流程示意图;参考图3所示,本发明实施例测定金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变方法包括如下步骤。
步骤S101,对待测定金属薄板材料进行切割获取平面应变拉伸试件。
具体地,该方法适用的金属薄板材料为厚度0.5-2.0毫米的可进行激光熔覆或者其他熔覆增强处理的金属薄板。进一步通过电火花线切割方式、水刀切割方式或其他方式对待测定金属薄板材料进行切割获取平面应变拉伸试件;具体包括对待测定金属薄板材料的长宽以及预设形状缺口的切割。即平面应变拉伸试件包括预设形状缺口。优选地预设形状缺口包括两个U形缺口,分别对应设置于平面应变拉伸试件的两个侧边上。进一步优选地,两个U形缺口形状完全相同,且中轴线位于同一直线上。进一步地,设置U形缺口的宽度为18毫米,由于平面应变拉伸试件具有一定厚度,因此每个U形缺口均包括两个内侧面和一个底面。设置U形缺口的内侧面与底面之间通过第二圆弧连接,同时设置第二圆弧的半径为3毫米。
需要说明的是,采用本实施例中的所有平面应变拉伸试件在缺口切割时,U形缺口的宽度及第二圆弧的半径均为固定值,其并不因平面应变拉伸试件材料、尺寸及所装夹的预设拉伸试验机的改变而改变。唯一改变的是U形缺口的深度,而U形缺口的深度是与两个U形缺口之间的距离有关的,而两U形缺口之间的距离则是通过限元分析法确定的。
步骤S102,在平面应变拉伸试件的熔覆区域熔覆预设熔覆材料。
具体地,图4示出本发明实施例一中激光熔覆局部加强过程示意图;参考图4所示,本实施例利用激光快速成型技术将预设熔覆材料熔化,并按竖直方向密排堆覆在平面应变拉伸试件的熔覆区域正反两面,而后通过空冷凝固,使得熔覆区域厚度增加0.5-1.0毫米。图5示出本发明实施例一中切割并熔覆处理后的平面应变拉伸试件结构示意图。
需要说明的是,预设熔覆材料应能够与平面应变拉伸试件在激光加热条件下形成呈冶金结合的抗拉熔覆层,且预设熔覆材料强度接近或强于平面应变拉伸试件材料强度,预设熔覆材料进而设置为直径范围0.2-0.4毫米的金属丝。
其中,平面应变拉伸试件的熔覆区域设置位于两U形缺口底面所在平面之间,且熔覆区域包括上熔覆区域和下熔覆区域,上熔覆区域和下熔覆区域之间设置有预留区域。设置上熔覆区域和下熔覆区域关于两U形缺口的中轴线对称。更进一步地,设置上熔覆区域为矩形,且矩形的底边设置为向下突出的第一圆弧状。优选地,将上熔覆区域的宽度和两U形缺口之间的距离设置为相同的数值,而预留区域则为上熔覆区域、下熔覆区域以及两个U形缺口之间围成的区域;设置上熔覆区域、预留区域以及下熔覆区域总长度大于80毫米,且设置第一圆弧半径范围为75-150毫米,上熔覆区域和下熔覆区域之间的距离也是通过限元分析法来确定的。
S103,将熔覆处理后的平面应变拉伸试件装夹在预设拉伸试验机上,按预设加载速率将平面应变拉伸试件拉伸至发生断裂,同时利用预设应变测量技术获取平面应变拉伸试件断裂点的应变信息。
具体地,将熔覆处理后的平面应变拉伸试件装夹在预设拉伸试验机上,按预设加载速率将平面应变拉伸试件拉伸直至发生断裂,在对平面应变拉伸试件进行拉伸过程中,采用预设应变测量技术记录平面应变拉伸试件表面的应变分布随时间的变化,进而获得平面应变拉伸试件断裂点的应变信息。优选地,预设拉伸试验机为万能拉伸试验机。进一步优选地,预设应变测量技术为数字图像相关应变测量技术。
需要说明的是,平面应变拉伸试件的总长度可根据预设拉伸试验机的夹持端长度进行相应的调整;同理平面应变拉伸试件的总宽度也可根据实施本专利时的预设拉伸试验机的夹头尺寸进行相应的调整。
步骤S104,根据平面应变拉伸试件断裂点的应变信息以及测得的断口截面厚度计算金属薄板材料在平面应变路径下变形的断裂极限应变。
具体地,通过平面应变拉伸试件断裂点沿垂直裂纹方向切出断面,制作镶块,并通过光学显微镜测量获取断口处的厚度,根据平面应变拉伸试件断裂点的应变信息以及测得的断口截面厚度计算出薄板材料在平面应变路径下变形的断裂极限应变。
为进一步对本发明实施例金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变的测定方法进行解释说明,以下以厚度为1.0毫米,长度为100毫米,宽度为45毫米,材料为先进高强钢材料MAT-A的待测定金属薄板材料对其进行说明。
图6示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A的工程应力应变曲线;图7示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A激光熔覆局部加强后的平面应变拉伸试件实物图;其中的上下两块“细鱼鳞”区域即为熔覆区域。基于上述材料测定平面应变拉伸试件变形时的断裂极限应变方法包括如下步骤:
S1,通过有限元分析法确定两U形缺口之间的距离W。具体如图12所示,建立简化的熔覆局部加强平面应变拉伸试件的有限元分析(1/4)模型;图13出了本发明实施例一根据有限元法确定两U形缺口之间的距离的仿真结果示意图;参考图13可知,当两U形缺口之间的距离W过小(12.5毫米)时,中心区域的应变路径将偏离平面应变路径,当两U形缺口之间的距离W过大(40毫米)时,会消耗更多的平面应变拉伸试件材料,且存在从边部开裂的风险,故在此案例中两U形缺口之间的距离W取30毫米。且知道U形缺口的宽度为18毫米,第二圆弧的半径为3毫米。
而后通过线切割法对待测定金属薄板材料进行加工得到平面应变拉伸试件,切割具体包括在平面应变拉伸试件的两长边上对应切割形出两个形状相同,尺寸符合上述规定的U形缺口,两个U形缺口关于平面应变拉伸试件的竖直中轴线对称。由于本实施例待测定金属薄板材料的长宽符合要求,因此在此步骤并未对其进行切割。
S2,通过有限元分析法确定第一圆弧半径以及上熔覆区域和下熔覆区域之间的距离。具体图14示出了本发明实施例一根据有限元法确定第一圆弧半径的仿真结果示意图;参考图14可知,当第一圆弧半径过大(∞,即直线)时断裂起始位置偏离中心区域,本发明中第一圆弧半径的推荐范围为75-150毫米。在本实施例中可确定第一圆弧半径优选为100毫米。图15示出了本发明实施例一根据有限元法确定上熔覆区域和下熔覆区域之间距离的仿真结果示意图;参考图15可知,当上熔覆区域和下熔覆区域之间距离偏小时,中心区域沿厚向应变分布不均匀;当上熔覆区域和上熔覆区域之间距离偏大时,试件断裂起始位置将偏离中心区域。在本实施例中可确定上熔覆区域和下熔覆区域之间距离优选为40毫米。且选取预设熔覆材料为直径为0.3毫米的Cr12MoV焊丝。
在确定了上熔覆区域、上熔覆区域、预留区域以及预设熔覆材料后,通过激光快速成型技术将预设熔覆材料熔化堆覆在平面应变拉伸试件的熔覆区域正反两面,而后通过空冷凝固,以使得熔覆区域厚度增加0.5-1.0毫米。
S3,激光熔覆局部加强完成后,在熔覆区域表面喷上白底黑色散斑,将切割并熔覆处理后的平面应变拉伸试件装夹在万能拉伸试验机上,按预设加载速率将平面应变拉伸试件轴向(竖直方向)单向拉伸直至断裂,在对平面应变拉伸试件拉伸的同时,采用数字图像相关应变测量技术获取平面应变拉伸试件断裂点的应变信息。其中数字图像相关应变测量技术的拍照频率可以根据拉伸速率进行调整。
S4,基于平面应变拉伸试件断裂点的应变信息和平面应变拉伸试件的断口截面厚度计算待测定金属薄板材料在平面应变路径下变形的断裂极限应变。
图8示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A拉伸断裂后的激光熔覆局部加强平面应变拉伸试件示意图;其中水平断口中间位置的间隙最大,可以直观判断出断裂起始位置是试件中心点。图9示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A激光熔覆局部加强平面应变拉伸试件断裂前一帧中心区域的应变分布图;其中左边为Y方向的应变分布,中间点的应变最大;右边为X方向的应变分布图,中间点的X方向应变的绝对值小于0.002,可以认为中心点在X方向未发生塑性应变,即断裂前一帧(0.2秒)试件中心点的应变状态为平面应变状态。图10示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A激光熔覆局部加强平面应变拉伸试件中心点的应变路径。综上可知,本发明的激光熔覆局部加强平面应变拉伸试件设计方法能有效实现试件中心点的平面应变路径及起始断裂。
图11示出本发明实施例一中某种先进高强钢MAT-A激光熔覆局部加强平面应变拉伸试件中心点断裂厚度测试示意图;待测定金属薄板材料在平面应变路径下变形的断裂极限应变的计算过程包括如下内容。
结合平面应变拉伸试件变形前的初始厚度t0,可以根据公式(1)计算出平面应变拉伸试件厚度方向的塑性应变:
根据塑性变形体积不变原理,公式(2)成立:
又因为平面应变拉伸试件中心点X方向的塑性应变在整个变形过程中等于0,即:
因此,可以根据测得的断口中心点位置的厚度计算出
断裂极限应变:
MAT-A试件断裂后中心点的厚度为0.775毫米,板料初始厚度为0.993毫米,因此计算得到MAT-A在理想平面应变路径下的断裂极限应变为0.278。根据本构参数可以计算得到断裂等效塑性应变,用于先进韧性断裂模型的参数标定与验证。可见本发明提出的基于激光熔覆局部加强的薄板平面应变拉伸试件能有效地测定理想平面应变路径下的断裂极限应变。
综上所述,本发明提出的金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变的测定方法,具有以下有益效果:在原有缺口形状的平面应变拉伸试件结构尺寸的基础上进行激光熔覆局部加强,简单易行,激光熔覆不会对测试区域材料的力学性能造成影响,避免了缺口形状试件在轴向拉伸过程中缺口边缘发生开裂的问题,且能够改善试件变形区域的应变分布,使得中心点的应变保持最大直至发生断裂;优化尺寸后的激光熔覆局部加强平面应变拉伸试件能保证中心点在拉伸变形中应变状态为理想平面应变状态;结合数字图像相关应变测量技术应变测量系统可记录断裂起始点(中心点)的应变路径,再结合断口厚度显微测量技术实现断裂极限应变的准确测定。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点且具备高度产业利用价值。
虽然本发明所公开的实施方式如上,但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员,在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下,可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化,但本发明的保护范围,仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种金属薄板材料平面应变路径断裂极限应变的测定方法,包括:
对待测定金属薄板材料进行切割获取平面应变拉伸试件,所述平面应变拉伸试件上包括预设形状缺口;
在所述平面应变拉伸试件的熔覆区域熔覆预设熔覆材料;
将熔覆处理后的所述平面应变拉伸试件装夹在预设拉伸试验机上,按预设加载速率将所述平面应变拉伸试件拉伸至发生断裂,同时利用预设应变测量技术获取所述平面应变拉伸试件断裂点的应变信息;
根据所述平面应变拉伸试件断裂点的应变信息以及测得的断口截面厚度计算所述待测定金属薄板材料在平面应变路径下变形的断裂极限应变;
其中,所述预设形状缺口包括两个U形缺口,分别对应设置于所述平面应变拉伸试件的两侧边上;
所述熔覆区域位于两U形缺口底面所在平面之间,所述熔覆区域包括上熔覆区域和下熔覆区域,所述上熔覆区域和所述下熔覆区域之间设置有预留区域,所述上熔覆区域为矩形,所述矩形底边为向下突出的第一圆弧状,所述上熔覆区域和所述下熔覆区域关于两U形缺口中轴线对称。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,对待测定金属薄板材料进行切割获取平面应变拉伸试件步骤包括:
通过电火花线切割方式或水刀切割方式对待测定金属薄板材料进行切割获取平面应变拉伸试件。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述U形缺口宽度为18毫米,所述U形缺口内侧面与底面之间通过第二圆弧连接,所述第二圆弧半径为3毫米。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,在所述平面应变拉伸试件的熔覆区域熔覆预设熔覆材料步骤包括:
用激光快速成型技术将预设熔覆材料熔化堆覆在所述平面应变拉伸试件的熔覆区域正反两面,而后通过空冷凝固,使得所述熔覆区域厚度增加0.5-1.0毫米。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述上熔覆区域、预留区域和下熔覆区域总长度大于80毫米,所述第一圆弧半径范围为75-150毫米,所述上熔覆区域和所述下熔覆区域之间的距离通过限元分析法确定。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述上熔覆区域宽度与两U形缺口之间距离相等,所述上熔覆区域宽度通过限元分析法确定。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据所述平面应变拉伸试件断裂点的应变信息以及测得的断口截面厚度计算所述待测定金属薄板材料在平面应变路径下变形的断裂极限应变步骤包括:
通过所述平面应变拉伸试件断裂点沿垂直裂纹方向切出断面,制作镶块,并通过光学显微镜测量获取所述平面应变拉伸试件的断口截面厚度,再结合所述平面应变拉伸试件断裂点的应变信息计算出所述待测定金属薄板材料在平面应变路径下变形的断裂极限应变。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述预设熔覆材料强度接近或强于所述平面应变拉伸试件材料强度。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述预设拉伸试验机为万能拉伸试验机。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述预设应变测量技术为数字图像相关应变测量技术。
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