DE4232115A1 - High-duty fastening element with uniform strength over entire length - has differential degrees of cold forming of the material over the length of the element - Google Patents

High-duty fastening element with uniform strength over entire length - has differential degrees of cold forming of the material over the length of the element

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Abstract

The high-duty fastening element is made of a cold-hardenable material. The material is hardened by means of a cold forming process so that the strength of the critical fracture zones is improved in such a way that fracture frequency is uniformly distributed over the length of the fastening element. After the necessary hot-forming and machining operations, the fastening element is subjected to further forming operations with the intermediate annealing of the sections undergoing the severest form changes. USE/ADVANTAGE - In situations where weight minimisation is necessary or advantageous. Uniform strength is attained over the entire length of the fastening element.

Description

Die Erfindung geht von einem hochbelastbaren Befestigungselement aus einem kalthärtbaren Werkstoff aus. Solche Werkstoffe sind zur Zeit im Bereich der austenitischen Stähle bekannt, wie sie in dem Lehrbuch M.O. Speidel: "Stickstofflegierte Stähle", Verlag der Schweizerischen Akademie der Werkstoffwissenschaften, 1991, S. 1-18, beschrieben werden.The invention is based on a heavy-duty fastener a cold-curable material. Such materials are currently in the Austenitic steels known, as described in the textbook M.O. Speidel: "Nitrogen-alloyed steels", Swiss publisher Academy of Materials Science, 1991, pp. 1-18 become.

Zur Herstellung von Befestigungselementen werden die Möglichkeiten zur Kaltaushärtung jedoch nicht optimal genutzt. Dies zeigt sich beispiels­ weise bei der Schraubenherstellung darin, daß der mit einem Gewinde versehene Teil nach dem Rollen eine erhöhte Festigkeit aufweist und der durchmessergleiche Schaft bei mechanischer Beanspruchung zum Bruch neigt. Um eine höhere Bruchsicherheit dieses Schaftes zu gewährleisten, wird üblicherweise sein Durchmesser erhöht. Damit nimmt aber auch das Gewicht der Schraube zu, was für viele Anwendungen, ebenso wie die Durchmesservergrößerung, nachteilig ist.The possibilities for the production of fasteners are Cold curing, however, is not used optimally. This is evident, for example show in screw production that the threaded provided part after rolling has increased strength and the Shaft with the same diameter when subjected to mechanical stress to break tends. In order to ensure a higher break resistance of this shaft, its diameter is usually increased. But that also takes away Weight of the screw too, which for many uses, as well as that Diameter increase, is disadvantageous.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß dieses eine gleichmäßige Festigkeit über seine Gesamtlänge erhält, so daß bei einem möglichst geringen Gewicht eine Festigkeitszunahme an bruch­ gefährdeten Zonen erzielt wird. The invention is therefore based on the object of a fastening element to design according to the preamble of claim 1 so that this one maintains uniform strength over its entire length, so that at an increase in strength at the lowest possible weight vulnerable zones.  

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.This problem is solved with the in the characterizing part of the claim 1 specified characteristics.

Der Gegenstand des Anspruchs 1 weist die Vorteile auf, daß Befe­ stigungselemente eine erhöhte Bruchfestigkeit bzw. eine erhöhte Lebensdauer aufweisen, welche im Vergleich zu herkömmlichen Befe­ stigungselementen nicht durch Querschnittsvergrößerung, sondern durch gezielte Festigkeitserhöhung erzielt ist.The subject of claim 1 has the advantages that Befe Strengthening elements an increased breaking strength or an increased Have lifespan, which in comparison to conventional Befe not by enlarging the cross-section, but by targeted increase in strength is achieved.

Das Wesen der Erfindung soll zunächst an einer Stahllegierung demon­ striert werden. Austenitische Stähle zeichnen sich insbesondere durch die hohe Duktilität, die gute Korrosionsbeständigkeit und die Nichtma­ gnetisierbarkeit aus. Mit einem CrMn-Austeniten mit mindestens 0,2% Stickstoff, welcher im kubisch-flächenzentrierten Gitter gelöst ist, läßt sich durch Kaltverformung eine besonders starke Festigkeits­ steigerung erreichen. Die Zähigkeit nimmt bei der Kaltverformung zwar ab, liegt aber immer noch deutlich über den Werten vergleichbarer höchstfester Stähle, welche nicht mit Stickstoff legiert sind.The essence of the invention is initially intended to demonstrate a steel alloy be treated. Austenitic steels are particularly characterized by the high ductility, the good corrosion resistance and the non-size gnettable. With a CrMn austenite with at least 0.2% Nitrogen, which is dissolved in the face-centered cubic lattice, can be particularly strong strength by cold forming achieve increase. Toughness increases with cold forming but is still significantly higher than comparable values high-strength steels which are not alloyed with nitrogen.

Bei einem Stahl mit 18 Gew.-% Mangan, 18 Gew.-% Chrom, 2 Gew.-% Molybdän und 1% Stickstoff steigt die Streckgrenze von 800 auf 1300 MPa bei einem Kaltverformungsgrad von 20%. Die Streckgrenze steigt linear mit dem Kaltverformungsgrad bis über 50% an. Diese enorme Steigerung der Festigkeit kann man sich bei Befestigungselementen dadurch zunutze machen, daß man die am stärksten beanspruchten und zum Versagen neigenden Zonen des Befestigungselementes einer bei der Herstellung stärkeren Verformung unterwirft, als die übrigen Bereiche des Befestigungselements. Dieses wird dadurch erreicht, daß das Befestigungselement bei der Herstellung an den besonders beanspruchten Stellen zunächst einen größeren Querschnitt erhält, welcher gegenüber dem übrigen Querschnitt durch eine Kaltverformung stärker reduziert wird.For a steel with 18% by weight manganese, 18% by weight chromium, 2% by weight Molybdenum and 1% nitrogen increases the yield strength from 800 to 1300 MPa with a degree of cold deformation of 20%. The yield point increases linear with the degree of cold deformation up to over 50%. This enormous You can increase the strength of fasteners by taking advantage of the most stressed and Failure-prone zones of the fastener at one Manufacture subject to greater deformation than the other areas the fastener. This is achieved in that the Fastener in the manufacture of the particularly stressed First put a larger cross-section that faces the remaining cross-section is reduced more by cold working becomes.

Die Schwierigkeit besteht oft darin, bei vorgegebenem Materialeinsatz eine optimale Ausnutzung des Materials zu gewährleisten. Da Befe­ stigungselemente immer an der schwächsten Stelle zu reißen pflegen, kann das Gewicht der restlichen, an der Ausfallhäufigkeit nicht beteiligten Bereiche des Befestigungselements offenbar reduziert werden. The difficulty is often given the amount of material used to ensure optimal use of the material. Because Befe always tear elements at the weakest point, can not the weight of the rest, due to the failure frequency involved areas of the fastener apparently reduced become.  

Um diese Materialreserve ausnutzen zu können, ist es nötig, hoch beanspruchte Teile von Befestigungselementen, wie Schrauben oder Stehbolzen, bei sparsamstem Materialeinsatz an den entscheidenden Stellen durch hohe Kaltverformung maximal zu verstärken. Dazu werden Kaltverformungsgrade von mindestens 25% bei stickstofflegierten austenitischen Stählen vorgeschlagen. Müssen bei der Herstellung unterschiedliche Verformungsgrade angewendet werden, so wird in einzelnen Bereichen höchster Kaltverformung ein Zwischenglühen notwen­ dig, um dort eine Versprödung des Werkstoffs zu vermeiden. Diese Absenkung der Festigkeit wird durch eine weitere Verformung wieder kompensiert, so daß bei richtiger Abstimmung das Befestigungselement im Endzustand eine über seine Länge konstante Festigkeit erhält. Die Widerstandsfähigkeit gegen Beanspruchungen, die zum Versagen des Befestigungselements führen können, soll also über die gesamte Länge konstant sein.To take advantage of this material reserve, it is necessary to high stressed parts of fasteners, such as screws or Stud bolts, with the most economical use of materials on the crucial ones Places to be reinforced as much as possible by high cold forming. To do this Cold deformation levels of at least 25% for nitrogen alloys austenitic steels proposed. Need to manufacture different degrees of deformation are used, so in Intermediate annealing is required in individual areas of extreme cold forming dig to avoid embrittlement of the material there. This Reduction in strength is caused by further deformation compensated so that with correct coordination the fastener receives a constant strength in its final state over its length. The Resistance to stresses leading to failure of the Fastener can lead, so over the entire length be constant.

Die statische und dynamische Festigkeit der Befestigungselemente und die in erster Näherung homogene Verteilung der potentiellen Bruchstel­ len über die Länge des Befestigungselements muß selbstverständlich durch Versuchsreihen kontrolliert werden. Stellt es sich heraus, daß Bereiche mit hoher Bruchhäufigkeit auftreten, so wird bei einer zweiten Versuchsreihe der Querschnitt an dieser Stelle vergrößert und durch eine nachfolgende stärkere Kaltverformung, welche den ursprünglichen Querschnitt wieder herstellt, eine höhere Festigkeit erhalten. Die Ausfallhäufigkeit wird also nicht durch eine maßgebliche Vergrößerung des Querschnitts erreicht. Als maßgeblich wäre eine Querschnittsvergrößerung anzusehen, wenn sie 5% übersteigen würde.The static and dynamic strength of the fasteners and the homogeneous distribution of the potential fraction len over the length of the fastener must of course controlled by series of tests. It turns out that Areas with a high frequency of breakage occur with a second Test series the cross-section at this point enlarged and through a subsequent more severe cold deformation, which the original Restores cross-section, get a higher strength. The Failure frequency is therefore not increased significantly of the cross section reached. A cross-sectional enlargement would be decisive to look at if it exceeded 5%.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention are described below with reference to the Drawing explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Ausgangs- und Endzustand beim Umformen eines Drahtes in eine Schraube; Fig. 1 initial and final state when forming a wire into a screw;

Fig. 2 eine Spannschraube und Fig. 2 is a clamping screw and

Fig. 3 eine Paßschraube. Fig. 3 a fitting screw.

Fig. 1 zeigt schematisch den Umformvorgang bei der Schraubenherstel­ lung. Der Kopfteil wird in einer Schmiedepresse umgeformt, wobei Schaft und Gewindeteil so eingespannt sind, daß sie sich in erster Linie nur elastisch verformen. Anschließend wird das Gewinde 3 eingerollt. Gemäß der Erfindung wird nun die übliche Ziehprozedur des Drahtes so abgewandelt, daß der Draht nach dem Ziehen die in diesem Verar­ beitungsschritt maximal mögliche Festigkeit erhält. Fig. 1 shows schematically the forming process in the screw manufacturing development. The head part is formed in a forging press, the shaft and threaded part being clamped in such a way that they deform primarily only elastically. Then the thread 3 is rolled up. According to the invention, the usual pulling procedure of the wire is now modified so that the wire receives the maximum possible strength in this processing step after processing.

Das bedeutet, daß beim Ziehen ein möglichst hoher Verformungsgrad angestrebt wird und das Ausgangsmaterial mit der geringstmöglichen Anzahl von ohne Zwischenglühschritten bis zur Grenze hin, welche die Ziehsteine erlauben, und bei der der Draht noch nicht reißt, verformt wird. Vor dem Umformen im Gesenk wird der Kopf 1 vorzugsweise induktiv erwärmt, um ihn besser umformen zu können. Das gleiche kann vor dem Gewindeformen mit dem Teil 3 erfolgen. Dabei kann das Gewinde eingerollt werden. Damit wird erreicht, daß im Endzustand die Umformung der einzelnen Schraubenabschnitte so erfolgt, daß in jedem Abschnitt in etwa die gleiche Festigkeit herrscht. Ein Glühen des Abschnittes 3 vor dem Gewindeformen läßt sich dadurch vermeiden, daß ein Teil des Gewindes eingeschnitten wird, ohne die notwendige Tiefe bereits zu realisieren und in einem zweiten Schritt die Gewindetiefe dadurch erreicht wird, daß anschließend das Gewinde auf die nötige Tiefe gerollt wird. Würde man das Gewinde von Anfang an rollen, ohne es an der Oberfläche zu glühen, um die Kaltverfestigung wenigstens teilweise zu beseitigen, oder durch spanabhebende Verformung entspre­ chend verfestigte Schichten abzutragen, könnte das Gewinde nicht hergestellt werden, weil voraussetzungsgemäß bereits durch den Ziehvorgang eine optimale Härte eingestellt wurde. Andererseits könnte das Material, statt sich zu verfestigen, verspröden und reißen.This means that the highest possible degree of deformation is sought during drawing and the starting material is deformed with the minimum possible number of steps without intermediate annealing to the limit that the drawing dies allow and at which the wire does not yet tear. Before forming in the die, the head 1 is preferably heated inductively in order to be able to form it better. The same can be done with part 3 before thread forming. The thread can be rolled up. This ensures that in the final state the individual screw sections are reshaped in such a way that each section has approximately the same strength. A glow of the section 3 before thread forming can be avoided by cutting part of the thread without realizing the necessary depth and in a second step the thread depth being achieved by subsequently rolling the thread to the required depth. If you rolled the thread from the start without glowing it on the surface in order to at least partially eliminate the work hardening, or if you removed correspondingly hardened layers by machining, the thread could not be produced because, as a precondition, the threading process already provides an optimal one Hardness was set. On the other hand, instead of solidifying, the material could become brittle and tear.

Bei einer Spannschraube nach Fig. 2 wird die Erfindung dadurch reali­ siert, daß der Spannteil, welcher einen geringeren Querschnitt aufweist, durch Einbringen einer normal hergestellten Schraube in eine Hämmermaschine hergestellt wird. Dabei erhält dieser Teil die maximal mögliche Festigkeit. Beim Umformen des Kopfes und beim Rollen des Gewindes werden die notwendigen Härtewerte erreicht. Wegen des geringe­ ren Querschnittes des Schaftes der Spannschraube muß dort jedoch die Festigkeit, welche der Härte proportional ist, größer sein als im Gewindebereich. Beim Herstellen der Spannschraube muß darauf geachtet werden, daß beim Hämmern die Schraube beispielsweise um 3% gestreckt wird. Selbstverständlich kann vor dem Hämmern die Querschnittsver­ minderung zunächst auch durch Abdrehen unterstützt werden. Die Durchmesserverminderung sollte allerdings vorzugsweise durch spanlose Verformung vor sich gehen.In a clamping screw according to FIG. 2, the invention is characterized Siert reali that the clamping portion having a smaller cross section, is prepared by introducing a screw normally produced in a swaging machine. This part receives the maximum possible strength. The necessary hardness values are achieved when reshaping the head and rolling the thread. Because of the small cross section of the shaft of the clamping screw, however, the strength, which is proportional to the hardness, must be greater than in the threaded area. When manufacturing the clamping screw, care must be taken that the screw is stretched, for example, by 3%. Of course, the cross-sectional reduction can also be supported by turning before hammering. However, the reduction in diameter should preferably take place by means of non-cutting deformation.

Bei einer Paßschraube (siehe Fig. 3) wird die Verfestigung des zylindrischen Schaftes vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung vorgenommen. Dabei wird der zu härtende Teil so hoch erhitzt - beispielsweise auf 700°C für 30 Minuten - daß eine Ausscheidungshär­ tung stattfindet, die Verformungsverfestigung aber nur geringfügig relaxiert.In the case of a fitting screw (see FIG. 3), the cylindrical shaft is preferably solidified by heat treatment. The part to be hardened is heated so high - for example to 700 ° C for 30 minutes - that a precipitation hardening takes place, but the deformation hardening is only slightly relaxed.

Die Auskehlung 4 der Paßschraube (s. Fig. 3) stellt eine Schwachstelle dar. Deshalb wird diese Auskehlung vorzugsweise durch Rollen so verfestigt, daß die Bruchgefahr an Abschnitten kleineren Querschnitts entscheidend verringert werden kann. Im Idealfall wäre tatsächlich auch an dieser kritischen Stelle das Auftreten von Brüchen im Einsatz, beispielsweise im Flugzeugbau, keineswegs höher als im Bereich des glatten Schaftes 2 oder im Gewindebereich 3.The fillet 4 of the fitting screw (see FIG. 3) represents a weak point. Therefore, this fillet is preferably solidified by rolling in such a way that the risk of breakage in sections of smaller cross-section can be significantly reduced. In the ideal case, the occurrence of breaks in use, for example in aircraft construction, would in fact in no way be higher at this critical point than in the area of the smooth shaft 2 or in the thread area 3 .

Claims (18)

1. Hochbelastbares Befestigungselement aus einem kalthärtbaren Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff durch eine Kaltverformung so weit gehärtet ist, daß dadurch die Festigkeit kritischer Bruchzonen im Befestigungselement im wesentlichen ohne Querschnittserhöhung so verbessert ist, daß die Häufigkeit des Auftretens einer Bruchstelle sich gleichmäßig über die Länge des Befestigungsele­ ments verteilt.1. Heavy-duty fastener made of a cold-hardenable material, characterized in that the material is hardened by a cold working to such an extent that the strength of critical fracture zones in the fastener is substantially improved without increasing the cross-section so that the frequency of the occurrence of a fracture is uniform over the Length of the fastening element distributed. 2. Hochbelastbares Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement aus einem austenitischen Stahl besteht.2. Heavy-duty fastener according to claim 1, characterized, that the fastener is made of an austenitic steel consists. 3. Hochbelastbares Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem höchstfesten CrMn-Austeniten mit einem Stickstoffgehalt von 0,2 bis 2,0 Gew.-% besteht.3. Heavy duty fastener according to claim 1 or 2, characterized, that it is made from a high strength CrMn austenite with a Nitrogen content of 0.2 to 2.0 wt .-% exists. 4. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an hoch beanspruchten Zonen ein Kaltverformungsgrad von 20 bis 80% eingebracht ist. 4. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 to 3, characterized, that a degree of cold deformation of 20 up to 80%.   5. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an hoch beanspruchten Zonen ein Kaltverformungsgrad von 35 bis 70% eingebracht wird.5. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 to 4, characterized, that in highly stressed zones a degree of cold deformation of 35 up to 70%. 6. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltverformungsgrad an hoch beanspruchten Zonen 5 bis 30% höher gewählt ist als der Wert, welcher sich nach einem Standard-Fertigungsverfahren ergibt.6. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 until 5, characterized, that the degree of cold deformation at highly stressed zones 5 to Is chosen 30% higher than the value, which after a Standard manufacturing process results. 7. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Kopfschraube ausgebildet ist.7. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 until 6, characterized, that it is designed as a cap screw. 8. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Stehbolzen ausgebildet ist.8. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 until 6, characterized, that it is designed as a stud. 9. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Scherbolzen oder Paßstift ausgebildet ist.9. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 until 6, characterized, that it is designed as a shear pin or dowel pin. 10. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Niet ausgebildet ist.10. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 until 6, characterized, that it is designed as a rivet. 11. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Kaltverformen eine über die Länge verteilte, unter­ schiedliche Wärmebehandlung durchgeführt ist. 11. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 until 10, characterized, that before the cold forming a distributed over the length, under different heat treatment is carried out.   12. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Schraubenmutter ausgebildet ist.12. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 until 6, characterized, that it is designed as a nut. 13. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung durch Kaltverformung über den Querschnitt annähernd konstant ist.13. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 until 12, characterized, that the hardening by cold working over the cross section is approximately constant. 14. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung durch Kaltverformung an der Oberfläche ein Maximum aufweist.14. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 to 13, characterized, that the solidification by cold working on the surface Maximum. 15. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß weniger belastete Abschnitte des Befestigungselements durch Querschnittsverminderung und Kaltverformung bei gleicher Festigkeit wie die übrigen Abschnitte im Gewicht reduziert sind.15. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 up to 14 characterized, that less stressed sections of the fastener through Cross-section reduction and cold deformation at the same Strength as the remaining sections are reduced in weight. 16. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Verwendung bei Temperaturen bis 600°C und hohen Anforderungen an die Standfestigkeit vorgesehen ist.16. Heavy-duty fastener according to one of claims 1 to 15, characterized, that it is for use at temperatures up to 600 ° C and high Stability requirements are provided. 17. Verfahren zum Herstellen eines hochbelastbaren Befestigungsele­ ments nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling nach der Halbzeugherstellung und einer üblicher­ weise nötigen Warmumformung und spanabhebenden Formgebung nur noch spanlos umgeformt wird, wobei die am stärksten zu verformen­ den Längenabschnitte zunächst durch ein Zwischenglühen duktil gemacht werden, um im Fertigzustand eine über die Länge des Befestigungselements konstante Festigkeit zu erzielen.17. Method of making a heavy duty mounting bracket ment according to claim 16, characterized, that the blank after the semi-finished product and a more common only necessary hot forming and cutting shaping is still formed without cutting, being the most deformable the lengths first ductile by an intermediate annealing  made to be one over the length of the Fastener to achieve constant strength. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente einer ersten Versuchsreihe nach der Herstellung einer einsatzgemäßen Prüfung unterzogen werden und die Bereiche mit hoher Bruchhäufigkeit bei der Herstellung neuer Befestigungselemente einer zweiten Versuchsreihe zunächst durch bereichsweise Querschnittsvergrößerung des Rohlings und daran anschließender Kaltverformung eine höhere Festigkeit erhalten und/oder die Bereiche, die eine höhere Zähigkeit erfordern, einem lokalen Zwischenglühen unterzogen werden, um eine homogene Ver­ teilung von Festigkeit und Zähigkeit über das gesamte Befe­ stigungselement zu erzielen.18. The method according to claim 17, characterized, that the fasteners of a first series of tests after Production are subjected to an operational test and the areas with a high frequency of breakage when producing new ones Fastening elements of a second series of tests first cross-sectional enlargement of the blank and on it subsequent cold working obtain a higher strength and / or the areas that require higher toughness undergo local intermediate annealing to ensure a homogeneous Ver division of strength and toughness over the entire structure Achieve the element.
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