KR102411444B1 - 금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법 - Google Patents

Abstract

충격 시험에 의해 흡수 에너지 및 취성 파면율을 측정하고, 상기 흡수 에너지와 취성 파면율 간의 관계를 직선 회귀 분석에 의해 분석한 뒤 상기 취성 파면율 값으로부터 금속 시편의 상부 흡수 에너지와 하부 흡수 에너지를 추정하는 것이다.

Description

금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법{Estimation of absorbed energy of metal specimen}

본 발명은 금속 시편의 흡수 에너지의 추정 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 충격 시험에 의해 흡수 에너지를 측정하고, 한편으로는 취성 파면율을 측정하여 상기 흡수 에너지와 취성 파면율 간의 관계를 직선 회귀 분석에 의해 분석한 뒤 상기 취성 파면율 값으로부터 금속 시편의 상부 흡수 에너지와 하부 흡수 에너지를 추정하는 것이다.

금속의 파괴 시험에서, 연성 파면이란 금속 시편을 파괴하였을 때 생기는 파단면의 일종으로서, 섬유 모양으로 전단 파괴되어 둔하게 빛이 나지 않는 파단면을 말하고, 취성 파면이란 결정 입자가 벽개 파괴 또는 입계 파괴하여 빛이 나는 형태의 파단면을 말한다. 연성 파괴라 함은 연성 파면율이 높은 파괴를 말하고, 취성 파괴라 함은 취성 파면율이 높은 파괴를 말하는 바, 연성 파괴인지 또는 취성 파괴인지 여부는 금속의 원자 배열 방식 또는 금속의 온도 등 여러 가지 요인에 의해 달라진다. 금속 재료는 온도 저하에 따라 연성 파괴가 아닌 취성 파괴가 이뤄지기 쉬운 것이 일반적이다.

한편, 구조물의 재료 선정에 있어서 용접으로 접합된 부위의 충격 인성은 중요한 물성이다. 오스테나이트계 재료는 온도가 낮아짐에 따른 충격 인성의 급격한 저하가 없으나, 탄소강 등 페라이트계 재료는 특정온도에서 급격한 충격 인성의 저하가 나타난다. 즉, 페라이트계 금속 시편은 온도를 내림에 따라 금속 시편이 연성 파괴되는 성질을 유지하다가, 특정 온도 구간에서 갑작스럽게 취성 파괴되는 성질로 바뀌는 경향이 있는바, 이를 연성-취성 천이 거동(Ductile-to-Brittle Translation Behavior)이라고 한다. 즉, BCC(Body Centered Cubic) 구조를 가지는 대부분의 구조용 강재는 특정 온도에서 급격하게 취성 파괴되는 성질을 보이면서 흡수 에너지의 저하를 보인다. 한편, 여기서 흡수에너지는 금속 시편이 파괴될 때 흡수하는 에너지로서, 달리 말하면 급속 시편을 파괴할 때 소모되는 에너지와 유사한 개념이라고 봐도 무방할 것이다.

일반적으로 이러한 재료의 연성-취성 천이 거동은 재료의 충격 시험으로부터 회귀분석을 이용한 하이퍼볼릭 탄젠트 모델을 이용하여 분석하게 되는데, 상기 하이퍼볼릭 탄젠트 모델로부터 상부 흡수 에너지, 하부 흡수 에너지, 천이 온도를 계산하여 구조물의 설계에 반영하게 된다. 여기서 상부 흡수 에너지란 금속 시편이 파단될 때 가장 크게 흡수하는 에너지, 즉 금속 시편을 파단하는 데 가장 크게 소모되는 에너지를 말하고, 하부 흡수 에너지란 금속 시편이 파단될 때 가장 작게 흡수하는 에너지를 말한다.

이하, 금속 시편의 충격 시험을 통하여 온도에 따른 재료의 흡수 에너지를 하이퍼볼릭 탄젠트 모델을 이용하여 분석하는 종래의 방법에 대하여 설명한다. 하이퍼볼릭 탄젠트 모델을 이용하여 재료의 흡수 에너지를 분석하는 이유는 충격 시험을 통하여 얻은 각 온도에 따른 재료의 흡수 에너지와 각 온도 간의 관계를 하이퍼볼릭 탄젠트 형식의 수식으로 만들어 놓음으로써 상기 수식으로부터 상부 흡수 에너지, 하부 흡수 에너지, 천이 온도 등을 파악하여 상기 재료의 물성을 반영하여 구조물을 설계하기 위함이다. 먼저, 충격 시험을 통하여 여러 온도에서 금속 시편이 가지는 흡수 에너지의 데이터를 수집한다. 필연적으로 상기 충격 시험은 복수 차례에 걸쳐서 시행되어야 할 것이며, 해머 등을 통하여 금속 시편을 충격함으로써 금속 시편을 파괴할 때 소모되는 에너지가 얼마인지를 구하는 방식으로 흡수 에너지의 데이터를 수집한다. 여기서 시험을 통하여 수집된 흡수 에너지 값은 회귀 분석 방식에 의하여 하이퍼볼릭 탄젠트 형식으로 수식화 될 수 있으며, 해당 수식은 아래와 같은 형태이다.

도 1에 나타난 바와 같이 상기 수식에서 상부 흡수 에너지는 A+B, 하부 흡수 에너지는 A-B, 천이 온도는 변곡점이 발생하는 온도인 D, 천이 구간은 2C로 설정한다. 천이 구간보다 온도가 높은 구간은 상부 흡수 에너지 구간, 천이 구간보다 온도가 낮은 구간은 하부 흡수 에너지 구간이 된다. 상기와 같이 충격 시험에서 얻어진 금속 시편의 흡수 에너지와 온도와의 관계를 회귀 분석하여 수식화한 후 얻어지는 상부 흡수 에너지, 하부 흡수 에너지, 천이 온도 등의 값은 구조물의 설계에 반영되는 값이 된다.

한편, 종래 방법과 같이 하이퍼볼릭 탄젠트 모델을 사용하여 상부 흡수 에너지, 하부 흡수 에너지 등의 값을 정하는 경우에는 천이 구간, 상부 흡수 에너지 구간, 하부 흡수 에너지 구간 모두에서 충분한 시험 결과가 있을 것을 요하며, 특정 구역에서의 시험 데이터 수가 부족하거나 없는 경우, 온전한 하이퍼볼릭 탄젠트 모델로 회귀분석이 불가능해지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 하이퍼볼릭 탄젠트 모델의 수식으로 정확하게 회귀 분석하려고 하는 경우 극저온 또는 극고온에서의 시험 결과도 필요하나, 현실적으로 극저온 또는 극고온에서 시험을 수행하기가 어려운 문제점이 있으므로 시험 범위 밖에서 임의의 값을 추가하여 회귀 분석하는 경우가 많다. 이러한 방식으로 임의의 값을 추가하여 회귀 분석을 하는 경우, 분석의 부정확화가 야기될 수 있고, 분석을 하는 사람마다 결론이 달라질 수 있는 문제점이 있다.

상기와 같이 하이퍼볼릭 탄젠트 모델을 이용하여 금속 시편의 상부 흡수 에너지 및 하부 흡수 에너지를 구하는 종래의 방식을 취하는 경우에 발생하는 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 적은 횟수의 충격 시험만으로도 금속 시편의 충격 파면율로부터 상부 흡수 에너지와 하부 흡수 에너지를 추정할 수 있는 금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 정확한 온도 추정 없이 시험해도 상부 흡수 에너지와 하부 흡수 에너지를 구할 수 있는 금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 연성-취성 천이 거동의 평가를 위한 금속 시편의 상부 흡수 에너지와 하부 흡수 에너지를 합리적으로 추정할 수 있는 금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

관련 기술 분야의 당면 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 금속 시편을 대상으로 충격 시험을 함으로써 각 온도에 따른 흡수 에너지 및 취성 파면율을 측정하는 1단계; 상기 측정된 흡수 에너지 및 취성 파면율의 데이터를 이용하여, x축을 취성 파면율, y축을 흡수 에너지로 하는 직선 회귀 분석 방법을 통하여 상기 취성 파면율 및 상기 흡수 에너지 간의 상관관계를 구하는 2단계; 상기 2단계의 상기 취성 파면율 및 상기 흡수 에너지 간의 상관관계로부터 금속 시편의 상부 흡수 에너지 및 하부 흡수 에너지를 추정하는 3단계를 포함하는 금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법을 제공한다.

또한 상기 3단계는 상기 취성 파면율이 0%일 때의 흡수 에너지를 상부 흡수 에너지, 상기 취성 파면율이 100%일 때의 흡수 에너지를 하부 흡수 에너지로 정하는 것을 특징으로 하는 금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법을 제공한다.

또한 상기 제 1단계는 ASTM E-23(Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials) 규격에서 시행한 샤르피 충격 시험에 의해 수행한 것으로서, 금속 시편의 용접부를 충격함으로써 상기 흡수 에너지 또는 상기 취성 파면율을 측정한 것을 특징으로 하는 금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법을 제공한다.

또한 상기 제 1단계의 측정의 대상이 되는 금속은 원자 배열이 BCC(Body Centered Cubic) 배열인 것을 특징으로 하는 금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 의한 금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법은 상대적으로 적은 횟수의 충격 시험만으로도 금속 시편의 상부 흡수 에너지와 하부 흡수 에너지를 추정할 수 있다.

또한, 극저온이나 극고온에서의 충격 시험을 실행하지 않고서도 금속 시편의 상부 흡수 에너지와 하부 흡수 에너지를 추정할 수 있다.

또한, 취성 파면율과 흡수 에너지의 관계를 회귀 분석하여 직선의 방정식의 관계를 도출함으로써, 상부 흡수 에너지와 하부 흡수 에너지를 합리적으로 추정하여 구조물의 설계에 적용할 수 있다.

도 1은 충격 시험에서 온도에 따라 측정된 흡수 에너지를 선형화한 후 하이퍼볼릭 탄젠트 함수 형태로 나타낸 그래프이다.
도 2는 충격 시험에서 온도에 따라 측정된 흡수에너지 및 취성 파면율을 측정한 후 그래프상에 나타내고, 상기 흡수 에너지 및 취성 파면율 값을 회귀분석하여 하이퍼볼릭 탄젠트 곡선형태로 나타낸 그래프이다.
도 3은 온도에 따른 취성 파면율 값에 대응하는 흡수 에너지 값을 그래프 상에 나타내고, 취성 파면율과 흡수 에너지 값을 회귀 분석하여 직선형태로 그래프 상에 표시한 것이다.
도 4는 본원 발명의 예시적인 시험 과정에서 쓰인 용접재료의 화학 조성을 나타낸 것이다.
도 5는 본원 발명의 예시적인 시험 과정에서 용접부의 시험편 채취 위치를 나타낸 것이다.
도 6은 본원 발명의 예시적인 시험 과정에서 각각 조건을 달리하여 온도에 따라 측정된 흡수 에너지 및 취성 파면율을 그래프 상에 나타내는 한편, 상기 흡수 에너지 및 취성 파면율 값을 회귀 분석하여 하이퍼볼릭 탄젠트 곡선 형태로 나타낸 그래프이다.
도 7은 본원 발명의 예시적인 시험 과정에서 각각 조건을 달리하여 각각의 취성 파면율 값에 대응하는 흡수 에너지 값을 그래프 상에 나타내고, 취성 파면율과 흡수 에너지 값을 기초로 회귀 분석하여 직선 형태로 그래프 상에 표시한 것이다.
도 8은 본원 발명에 의해 추정한 상부 흡수 에너지 및 하부 흡수 에너지와 시험 횟수를 충분히 하여 얻은 연성-취성 천이곡선으로부터 구한 상부 흡수 에너지 및 하부 흡수 에너지를 비교한 표이다.

이하, 본 발명의 일 실시 예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 그러나 이는 본 기술의 범위를 한정하려고 하는 것이 아니다.

본 발명은 온도에 따른 금속 시편의 흡수 에너지를 측정하고, 한편으로는 온도에 따른 금속 시편의 취성 파면율을 측정하여 상기 측정된 흡수 에너지 및 취성 파면율 간에 회귀 분석을 통하여 선형 관계를 찾아낸 후, 상기 선형 관계에서 취성 파면율이 0%인 흡수 에너지 값을 상부 흡수 에너지로, 취성 파면율이 100%인 흡수 에너지 값을 하부 흡수 에너지로 하여 상기 상부 흡수 에너지 및 하부 흡수 에너지 값을 구조물 설계에 활용하기 위한 발명이다.

먼저 본원 발명에서 사용된 충격 시험 방법에 대하여 설명한다. 본원 발명은 샤르피 충격 시험 방법에 의해 진행되는 바, 샤르피 충격 시험 방법은 초기 해머 높이 h1에서 상기 해머를 회전 낙하시켜 금속 시편을 파단시키고, 금속 시편의 파단 후 다시 해머가 올라온 높이 h2를 측정하여 h2 및 h1에서의 위치 에너지를 계산하여 금속 시편의 파단에 소모된 에너지를 계산하는 방법이다. 상기 h1 및 h2에서 해머가 가지는 각각의 위치 에너지의 차이만큼 금속 시편을 파단하는 데 에너지가 소모된 것인 바, 상기 원리로부터 금속 시편의 흡수 에너지를 계산하는 방식이다. 한편, 샤르피 충격 시험 방법의 규격은 KS B 0809 (금속 재료 충격 시험편), KS B 0810 (금속 재료 충격 시험 방법), KS B 5522(샤르피 충격 시험기), ASTM E-23 등이 있는 바, 본 명세서에서는 ASTM E-23 규격을 사용하여 시험을 진행한 결과를 기준으로 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하기로 한다. 샤르피 충격 시험 방법의 경우 바람직한 시험 과정을 설명한다. 먼저, 시험편을 노치부와 시험편 지지대 사이의 중앙이 일치되도록 위치를 고정한다. 이때 시험편의 노치부 대칭 평면과 시험편 지지대 사이의 엇갈림은 0.4㎜ 이내로 하고 가능한 한 엇갈림이 없도록 하여야 한다. 상온에서 시험을 하는 경우에는 일반적으로 10∼30℃의 범위 내에서 이루어지는 것이 보통이고, 극저온 또는 극고온에서는 시험 환경에 제약이 따르는 경우가 많다.

이하 본원 발명의 시험 조건에 대하여 설명한다. 먼저, 대상 용접 재료는 EN IOS 1952-A-W CrMo2Si, AWS A5.28:ER90S-G[ER90S-B3(mod.)를 사용하였으며, 화학조성의 비율은 도 4에 나타난 바와 같다. 임의의 용접 조건인 용접 조건 A, 용접 조건 B의 두 가지 환경에서 시험을 진행하였으며, 충격 시험편의 위치는 도 5에 나타난 바와 같이 용접부의 상단에 위치하도록 하는 Face, 용접부의 하단에 위치하도록 하는 Root의 두 가지 용접부 위치에서 시험을 진행하였다.

이하 본원 발명의 시험 단계 및 데이터 분석에 대하여 설명하도록 한다. 참고로, 청구범위에서는 하기 설명의 1단계 및 2단계를 하나의 단계로 표현하였으며, 흡수 에너지와 취성 파면율 간의 각 상관관계를 구하는 과정을 하나의 단계로 표현하였다.

1 단계로, 상기 설명한 시험 조건 및 환경에서 샤르피 충격 시험 방법으로 온도에 따른 금속 시편의 흡수 에너지를 측정한다. 금속 시편의 흡수 에너지는 상기 설명한 바와 같이 금속 시편을 파단 시키기 전의 해머의 높이와 금속 시편을 파단 시킨 후의 해머의 높이 차를 이용하여 양 위치에서의 위치 에너지의 차이를 이용하여 구한다. 이 외에 장치의 마찰 또는 공기의 저항에 따른 에너지 손실 등도 고려함이 바람직하나, 본 명세서상에는 설명을 단순화하기 위해 해머의 위치만을 고려하여 설명하도록 한다. 이 때 위치 에너지는 해머의 질량(m), 중력가속도(g), 해머의 높이(h)를 곱한 값이 된다. 여러 구조물에서 금속의 용접부 등이 특히 충격 인성에 취약점을 나타내는 바, 충격 시험은 금속의 용접부를 대상으로 하는 경우에 더욱 유용할 수 있을 것이다. 한편, 상기 금속 시편의 흡수 에너지 측정은 복수 회에 걸쳐 이루어짐이 필수적이라고 할 것이다.

2단계로, 온도에 따른 취성 파면율을 측정한다. 상기 취성 파면율의 측정은 1 단계의 흡수 에너지 측정과 동시에 실행하거나 별도로 실행되는 것 모두 가능할 것이다. 측정 방법은 상기 1단계와 같이, 상기 설명한 시험 조건 및 환경에서 샤르피 충격 시험 방법으로 온도에 따른 금속 시편의 파단부를 관찰하여 취성 파면의 면적을 구한 후, 상기 취성 파면의 면적을 금속 시편의 파단부의 면적으로 나눔으로써 측정하는 것이다. 설명한 취성 파면율을 수식으로 나타내면 아래 수식과 같다. 여기서 P는 취성 파면율, Q는 취성 파면의 면적, R는 파단면의 전 면적을 의미한다.

P(%)=(Q/R)*100

3단계로, 취성 파면율에 따른 흡수 에너지의 데이터를 정리한다. 즉, 동일 온도에서 취성 파면율과 흡수 에너지를 정리한 데이터를 만든다. 이러한 데이터를 만드는 것은 상기 취성 파면율과 흡수 에너지를 회귀 분석하여 선형 관계를 파악하는 기초 자료로 활용하기 위함이다. 도 2는 상기 1단계 및 2단계에서 수행한 시험에 의해 측정된 흡수 에너지와 취성 파면율을 온도에 따라 정리해 놓은 것을 예시적으로 나타낸 것이며, 도 2에서는 선형 분석까지 한 뒤 하이퍼볼릭 탄젠트 곡선까지 그려놓았으나 이는 참고적인 것에 그칠 뿐이고, 본원발명에서는 도 2와 같은 하이퍼볼릭 탄젠트 곡선까지 구할 필요는 없다.

4단계로, 취성 파면율과 흡수 에너지 값을 회귀 분석한다. 회귀 분석의 형태는 그래프를 그렸을 때 직선의 형태가 되는 1차 함수가 나오도록 직선 회귀분석의 형태가 되어야 할 것이며, 이 때 공지된 직선 회귀 분석 방법으로 1차 함수 관계를 도출한다. 상기한 회귀 분석에 의해 도출된 1차 함수 관계를 그래프로 그릴수도 있을 것인 바, 이 경우 x축을 취성 파면율로, y축을 흡수 에너지로 놓음으로써 그래프 상에서 상기 취성 파면율과 흡수 에너지 간의 관계를 용이하게 파악하도록 할 수 있을 것이다. 도 3에서는 같은 온도에서 취성 파면율과 흡수 에너지 간의 상관관계를 예시적으로 나타냈으며, 상기 취성 파면율과 흡수 에너지 값을 이용하여 직선 회귀 분석하는 경우 점선으로 표시한 부분과 같이 1차 함수 관계가 나온다는 것을 예시적으로 도시하였다.

5단계로, 상기 4단계에서 도출한 취성 파면율과 흡수 에너지 간의 관계에서, 취성 파면율이 0%일 때를 상부 흡수 에너지로, 100%일 때를 하부 흡수 에너지로 설정한다. 도 6은 충격 시험에서 측정된 온도에 따른 흡수 에너지 및 취성 파면율을 표현한 동시에, 상기 흡수 에너지 및 취성 파면율을 회귀 분석하여 하이퍼볼릭 탄젠트 형태로 표시한 연성-취성 천이곡선을 나타낸 그래프이다. 도 6에서 x축은 온도, 좌측의 y축은 흡수 에너지, 우측의 y축은 취성 파면율을 나타낸다. 도 7은 본원 발명의 방법을 사용하여 회귀분석을 한 후 취성 파면율과 흡수 에너지 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 7에서 취성 파면율이 0%일 때 흡수 에너지를 상부 흡수 에너지로 놓고, 취성 파면율이 100%일 때 흡수 에너지를 하부 흡수 에너지로 놓은 결과표를 도 8에 도시해 놓았다. 본 발명에서 제안된 방법으로 계산한 상부 흡수 에너지는 극고온 또는 극저온 영역까지 상당히 많은 횟수로 충격 시험을 진행하여 얻은 연성-취성 천이 곡선의 상부 흡수 에너지와 비교했을 때, 그 차이가 5% 내로 매우 잘 일치함을 확인하였다. 한편, 하부 흡수 에너지의 추정 결과에서는 약 20%의 차이를 보이긴 했으나, 모든 케이스에서 10J 미만의 차이를 나타내었다. 하부 흡수 에너지의 경우에도 약간의 오차는 발생하였으나, 이 정도의 차이는 대략적인 추정 자료로 활용하기에 공학적인 견지에서 충분한 수준으로 판단할 수 있다. 즉, 본원 발명의 방식을 사용하여 금속 시편의 상부 흡수 에너지 또는 하부 흡수 에너지를 추정하는 경우에는 종래 사용했던 하이퍼볼릭 탄젠트 모델로 선형화하여 추정하는 경우와 비교할 때 충격 시험 횟수를 상당히 줄일 수 있음에도 추정치의 오차를 신뢰할 수 있는 범위에서 원하는 값을 추정할 수 있다.

6단계로, 상기 5단계에서 추정한 상부 흡수 에너지 또는 하부 흡수 에너지를 구조물을 설계할 때 활용한다. 상기 추정된 상부 흡수 에너지 또는 하부 흡수 에너지는 구조물의 설계에서 모재 혹은 용접 재료를 더욱 간편하고 빠르게 선정할 수 있는 장점이 있다 할 것이다.

본 발명은 다양하게 변환될 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 본 발명에 특정한 실시 예들이 도면에 예시되고 발명의 설명에 기재되어 있다고 하더라도 이는 본 발명을 특정한 실시 형태로 한정하려고 하는 것이 아니며, 본 명세서의 청구범위에 기재될 발명에 대한 모든 변환은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 이에 다른 요소를 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하는 것으로 이해되어서는 아니 된다고 할 것이다.

Claims (4)

1. 금속 시편을 대상으로 충격 시험을 함으로써 각 온도에 따른 흡수 에너지 및 취성 파면율을 측정하는 1단계;
   상기 측정된 흡수 에너지 및 취성 파면율의 데이터를 이용하여, x축을 취성 파면율, y축을 흡수 에너지로 하는 직선 회귀 분석 방법을 통하여 상기 취성 파면율 및 상기 흡수 에너지 간의 상관관계를 구하는 2단계;
   상기 2단계의 상기 취성 파면율 및 상기 흡수 에너지 간의 상관관계로부터 금속 시편의 상부 흡수 에너지 및 하부 흡수 에너지를 추정하는 3단계를 포함하되,
   상기 3단계는 상기 취성 파면율이 0%일 때의 흡수 에너지를 상부 흡수 에너지, 상기 취성 파면율이 100%일 때의 흡수 에너지를 하부 흡수 에너지로 정하고,
   상기 제 1단계는 ASTM E-23(Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials) 규격에서 시행한 샤르피 충격 시험에 의해 수행한 것으로서, 금속 시편의 용접부를 충격함으로써 상기 흡수 에너지 또는 상기 취성 파면율을 측정하며,
   상기 제 1단계의 측정의 대상이 되는 금속은 원자 배열이 BCC(body centered cubic) 배열인 것을 특징으로 하는 금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법.
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