Tema 2-03.0 Ingenieria de Soldadura

7/23/2019 Tema 2-03.0 Ingenieria de Soldadura

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INGENIERINGENIERÍÍA DE SOLDADURAA DE SOLDADURA

Julio A. Acosta Sullcahuamán

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21/06/2007 jaasullcahuamán 2

ESTRUCTURAESTRUCTURA Y PROPIEDADESY PROPIEDADES

DE LOS METALESDE LOS METALES

1. INTRODUCCIÓN

2. ESTRUCTURA CRISTALINA

3. DEFORMACIÓN PLÁSTICA

4. RESISTENCIA DE LOS METALES

5. DEFECTOS CRISTALINOS

6. RESISTENCIA REAL DE LOS METALES

7. MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO8. DIFUSIÓN EN ESTADO SÓLIDO

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1.1. Introducci Introducci ó ó n n

Ciencia de los materiales Disciplina científica investigación Conocimiento básico de la estructura, propiedades y

procesamiento de los materiales

Ingeniería de materiales Disciplina de la ingeniería aplicación

Conocimiento de los materiales Convertir los

materiales en productos necesarios para el bienestar dela sociedad.

LaCiencia e ingeniería de los materiales combina laciencia de los materiales y la ingeniería de materiales

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21/06/2007 jaasullcahuamán 4ÍNDICEÍNDICE >><<

11.. IntroducciIntroduccióónn












CMC Exhaust Mixer Nozzle Ceramic Composite Brake Rotors

Immersion Tubes for Molten AluminumHolding Furnaces.

Turbine Engine Afterburner

High temprerature (to 3200°)

High specific strength

Excellent environmental durability

Low weight

Low porosity

Exellent toughness

Tailorable thermal-mechanical

properties

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todo puede convertirse en: …más ligero,

…más resistente … …para mucho más tiempo



CMP y CMM han sido desarrolladospara aplicaciones aeroespaciales. Estosmateriales compuestos poseen unaelevada resistencia mecánica y rigidezasí como un coeficiente de expansióntérmica casi nulo.

CMP (grafito/epoxy) ha sido empleadoen la fabricación de elementos deapoyo, paneles, antenas, antenasparabólicas, reflectores.

CMM poseen una elevadaresistencia y conductividadtérmica, alta rigidez y

resistencia específica.The P100/6061 Al usado en el

telescopio espacial Hubble

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“Una civilización es a la vezdesarrollada y limitada por losmateriales que dispone”

George Paget Thomson



Los metales han sido siempre elementos fundamentales en eldesarrollo de la humanidad...

¿Cómo se fabricarían: automóviles, trenes, aviones, barcos,tractores, bicicletas, ..., etc. sin el uso de los metales?

Es obvia esta dependencia en las plantas industriales, seamecánica, química, eléctrica, nuclear o de cualquier otro tipo.

También , es evidente la función clave que desempeñan en loselementos de nuestros propios hogares.

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Instalaciones sanitarias Luz eléctrica y alumbrado Estufas eléctricas Refrigeradores Lavadoras y secadoras

Hornos Radio y televisión Marcos de aluminio para ventanas Sistemas de aire acondicionado. etc.





En alguna etapa de la fabricación de estos artículos, losmetales cumplen un papel importante de modo que sería muy

difícil y, frecuentemente imposible, producirlos sin el uso demetales.

Desde luego, además de los metales, otros materiales tienenfunciones claves en la manufactura de muchos artículos ennuestra moderna tecnología.

El ingeniero selecciona los materiales que tienen las

propiedades físicas deseadas y que son las más económicas.

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Existen esencialmente 3 propiedades físicas principales de losmetalesque explican su papel clave en el desarrollo humano:

1. Formabilidad. Sólo aproximadamente el 20% de losmetales se usa directamente en su forma de colada, casi

todos son mecánicamente formados.

2. Resistencia sin fragilidad (tenacidad). Por ejemplo, elvidrio es muy resistente (σ F del vidrio es aprox. 7σ F delas mejores aleaciones de Al ) y a la vez extremadamentefrágil, por lo que uno nunca soñaría en diseñar un ala deavión hecha de vidrio.

3. Propiedades eléctricas y magnéticas. Baja resistividadeléctrica y magnetización de los metales ferrosos.

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Relación estructura - propiedades –procesamiento - aplicación

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La metalurgia física se relaciona más con el efecto del arregloatómico y la micro estructura del metal que con suspropiedades físicas.

Se pueden resumir estas relaciones en la siguiente tabla:

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PROPIEDAD FÍSICAINFLUENCIA DEL

ARREGLO ATÓMICO

INFLUENCIA DE LAMICROESTRUCTURA

Mecánica (resistencia,ductilidad, fragilidad, etc.)

muy fuerte muy fuerte

Eléctrica y térmica (resistividad, magnetización,conductividad, etc.)

poca ligera a fuerte

Química (resistencia a lacorrosión, potencialcatalítico, etc.)

poca

ligera a moderada







Microestructura de aceros: blando (izq.) y muy duro (der.)





Como se puede observar en la tabla: si se controla el arreglo atómico y la micro estructura se

pueden controlar todas las propiedades físicas del metal, peroparticularmente las propiedades mecánicas.

Por tanto, intentaremosconstantemente orientar nuestroestudio hacia el control de las propiedades mecánicas de losmetales y sus aplicaciones.

El control del arreglo atómico y la microestructura se realiza pormedio de procesos tales como el colado, conformado ytratamiento térmico.

Una de las metas de este tópico es ofrecer las bases teóricas

que permitan comprender cómo y por quédichos procesoscontrolan el arreglo atómico y la micro estructura en la formaque lo hacen.

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Materiales cerámicos Materiales que exhiben enlaces iónicos o covalentes o ambos Compuestos de elementos metálicos y no metálicos de altas

temperaturas de fusión Duros y quebradizos Bajas conductividades eléctricas y térmicas Ej.: productos de arcilla, porcelana, vidrio y óxidos de aluminio

Materiales poliméricos Materiales que presentan primordialmente enlaces covalentes. También son importantes las fuerzas de enlace secundarias

(enlaces de Van derWaals). Constan de cadenas largas formadas por elementos de bajo

peso atómico (C, H, O y N)

Bajo punto de fusión Baja resistencia mecánica y bajas conductividades eléctricas Ej.: madera, plásticos, polietileno, policlorurode vinilo

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Materiales metálicos Materiales que se caracterizan por tener enlaces metálicos. Enlace metálico altas conductividades térmicas y eléctricas Buena ductilidad, resistencia mecánica, tenacidad Ejemplo: magnesio, hierro, oro, plata, aluminio, acero, etc. Una característica común a los elementos metálicos es que

tienen solamente uno, dos o tres electrones en la capa externa,estos se enlazan en forma relativamente libre al núcleo.

Así por ejemplo, cuando colocamos juntos un número deátomos de aluminio (número atómico = 13), en un bloque dealuminio, los electrones exteriores abandonan los átomos

individuales y pasan a formar un "gas de electrones" común. Estos electrones se desplazan continuamente dentro del metal

y no pertenecen a un átomo determinado, sino al conjunto deátomos.

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Enlace metálico

Enlace en el cual los átomos del metal ceden sus electrones aun gas de electrones y asumen un ordenamiento regular.

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gas de

electrones

átomo de

aluminio

átomo de

aluminio

Ejemplo:

Al (z=13)





Por lo tanto, los átomos se conviertes en iones de Al +3 .

Estos se repelen entre sí, pero permanecen en el bloquegracias a la atracción entre los electrones negativos y los ionespositivos.

Este modelo nos ayuda a entender las propiedades de losmetales.

Por ejemplo, el modelo explica la alta conductividad eléctricade los metales. Si aplicamos un voltaje a través del cristal, loselectrones en el gas de electrones (que están enlazadosdébilmente) se moverán con facilidad, produciendo unacorriente.

También se puede entender; la ductilidad de los metales ocapacidad para deformarse sin fractura; la conductividadtérmica; la reflectividada la luz (lustre metálico); su formacristalográfica en estado sólido, etc.

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Contribución relativa de los diferentes tipos de enlace a cada uno de losmateriales para ingeniería (tres tipos estructurales y los semiconductores)

Resumen





Materiales cristalinos y amorfos

a) sílice cristalina y b) vidrio de sílice

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Metales

Cu, Al, Au, Ag

etc.





2. Estructura cristalina2. Estructura cristalina

Estructura cristalina material cristalino Los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o

periódica a lo largo de muchas distancias atómicas Existe un orden de largo alcance los átomos se sitúan

según un patrón tridimensional repetitivo Los átomosnopermanecen fijos en sus posiciones sino

queoscilan alrededor de puntos fijos equilibrio dinámico La red tridimensional de líneas imaginarias que conecta los

centros de los átomos se llama red espacial La unidad más pequeña que tiene la simetría de todo el

cristal se llama celda unitaria



celda unitaria

puntos reticularesred espacial

celda unitaria

patrón más pequeño de átomos que se repite en todasdirecciones del espacio es submicroscópica

las celdas unitarias están dispuestas en forma ordenada en

los sólidos cristalinos

estructuración regular de átomosque se mantiene a gran escala




posiciones relativas de los átomos modelo de esfera dura


•Todos los metales, muchos materiales cerámicos y ciertospolímeros, poseen estructura cristalina.

•La estructura cristalina de un material se define según el tamaño,la forma y el ordenamiento atómico dentro de la red espacial.•El análisis de una red espacial se realiza estudiando su celda

unitaria, y no toda la red.


Sistemas cristalinos Existen 14 tipos de redes cristalinas clasificados en 7

sistemas cristalinos Los metales tienen estructuras particularmente sencillas De las 14 retículas de Bravais, la mayoría de los metales se

forman en una de las muy sencillas estructuras siguientes: cúbica centrada en el cuerpo ( cccu ) cúbica centrada en las caras ( ccca ) hexagonal compacta ( hc ) tetragonal

Muchos metales existen en más de una estructura cristalina,dependiendo de la temperatura, pero en la mayoría de los casos, las

transiciones se dan entre estas 4 estructuras cristalinas. A estapropiedad, en tanto que sea reversible, se denomina ALOTROPÍA

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Transformación alotrópica del Fe

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910°C


Existen 14 tipos deredes cristalinas,clasificados en 7

sistemas cristalinos

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Los tres tiposprincipales deestructuras en quepueden cristalizarlos elementosmetálicos

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Estudio de las principales redes cúbica centrada en el cuerpo ( cccu ) cúbica centrada en las caras ( ccca )

hexagonal compacta ( hc )Para cada caso determinar: parámetros de red radio atómico ( r a ) = f [ parámetros de red ] número de átomos por celda (n) número de coordinación (nc): número de átomos vecinos más

próximos y que equidistan de un átomo

factor de empaquetamiento atómico (fea):

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celdaladevolumen

átomosdevolumenfea =


Red cúbica centrada en el cuerpo ( ccc u )

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parámetro de red = a

r a =

n =

nc = fea =





parámetro de red = a

r a =

n =

nc =

fea =

Red cúbica centrada en las caras ( ccc a )


Red hexagonal compacta ( hc )

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parámetros de red = a y c

r a =

n =

nc =

fea =





Estructura n r a = f (a) nc fea Metales típicos

cs 1 r = a / 2 6 0,52 Ninguno

cccu 2 r = a√3 / 4 8 0,68 Fe-α, Fe-δ, Ti, W, Mo.

ccca 4 r = a√2 / 4 12 0,74 Fe-γ, Cu, Al, Au, Ag, Pb.

hc 6* r = a / 2 12 0,74 Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr.


Densidad lineal Número de átomos que tienen sus centros localizados en

una línea de dirección dada por unidad de longitud

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]hkl[

]hkl[]hkl[

longitud

átomosnd =

)hkl(

)hkl()hkl( área

átomosnd =

Densidad planar Número de átomos que tienen sus centros localizados en un

área dada sobre un plano por unidad de área

En estos cálculos de la densidad, una de las reglas básicas es que un plano ouna línea debe pasar a través del centro de un átomo o no se cuenta el átomoen los cálculos




Densidad teórica

Masa de una celda unitaria entre el volumen de dicha celda

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unitariacelda

unitariaceldat volumen

masa=δ

Ejemplo: Calcular para el Cu densidad lineal [110]

densidad planar (111)

densidad teórica


3. Deformaci 3. Deformaci ó ó n pl n pl á á sticastica

Metales Resistencia y ductilidad son fuertementecontroladas por la estructura atómica y microestructura

Por ello es importante estudiar y entender con claridad elmecanismo de control de estas propiedades Inicialmente deformación demonocristales Luego deformación depolicristales

Deformación Deformación elástica completamente recuperable al

eliminarse el esfuerzo

Deformación plástica no recuperable al eliminarse elesfuerzo




3. Deformaci3. Deformacióón pln pláásticastica

Desplazamiento atómico producido por un esfuerzocortante :

ε σ E= γ τ G=


Mecanismos de deformación plástica: deslizamiento maclado deslizamiento en los límites de grano termofluencia difusional

DeslizamientoMovimiento paralelo de dos regiones cristalinas

adyacentes, una respecto a la otra, a través de algún plano (o

planos)

Sistema de deslizamiento Es la combinación de un plano y una

dirección que se halla sobre el plano, a lo largo del cual se produce

el deslizamiento

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Los planos compactos hacen másfácil el deslizamiento que losplanos alineados en otra dirección

respecto al esfuerzo cortante

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Sistemas de deslizamiento ccc a

Planos {111}Direcciones <110>





Sistemas de deslizamiento ccc u



Sistemas de deslizamiento hc




Deslizamiento ccc a

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4. Resistencia de los metales4. Resistencia de los metales

Esfuerzo cortante resuelto (factor de Schmid)

Supóngase un monocristal

cilíndrico de un metal ccca

Tensión bajo una fuerza F

Deslizamiento planos (111) 3 direcciones <110>

Resolver el esfuerzo cortantesobre el plano (111) y a lo largode las direcciones <110>




¿Cuál es el esfuerzo cortante resuelto a lo largo de una direcciónque hace un ángulo λ con el eje detensión en el plano cuya normal formaun ángulo φ con dicho eje?

AcosAe =φ

2a4

A π =

ba4

Ae

π =

acosb =φ

λ cosF



Esfuerzo cortante resuelto (τ r )

)cos(cosA

Fr φ λ τ =

er A

cosF λ τ = )FS(r σ τ =

σ : esfuerzo de tensión y FS: factor de Schmid


Se ha encontrado que en un sistema de deslizamiento seproducirá el deslizamiento cuando el esfuerzo cortante resuelto enese sistema alcance cierto valor crítico

Al esfuerzo cortante resuelto requerido para iniciar eldeslizamiento sobre un sistema de deslizamiento dado se le llamaa menudoesfuerzo cortante crítico resuelto (ECCR ) y su valor

depende en gran medida de la pureza del metal (ver siguientetabla)






Resistencia teórica de los metales





Esfuerzo cortante teórico

Es el esfuerzo cortante determinado teóricamente,capaz de producir el deslizamiento de todos los átomos

- de una sola vez - que se hallan encima (o debajo) delplano de deslizamiento, haciendo que se desplacenpermanentemente desde un conjunto de sitiosreticulares hasta otro nuevo conjunto de sitios en la red

¿Cuál es el esfuerzo cortante teórico necesario paraproducir un desplazamiento permanente de los

átomos?


a2bG

mπ

τ =


¿Cuál es la diferencia entre el esfuerzo cortante crítico resuelto(ECCR) y el esfuerzo cortante de teórico (límite elástico o límitede fluencia) de los metales? ¿Porqué?





5. Defectos cristalinos5. Defectos cristalinos

Una red cristalina ideal supone una dispoción

tridimensional de repetición perfecta Los cristales de los metales reales tienen variosdefectos,

éstos se enlistan sistemáticamente como sigue:1. Vacancias2. Átomos del metal (base) colocados en forma intersticial3. Un átomo extraño colocado en forma substitucional4. Un átomo extraño colocado en forma intersticial5. Dislocaciones

6. Maclas o fallas de apilamiento7. Límites de grano8. Huecos o cavidades9. Inclusiones

puntuales

planares

de volumen

lineales


Defectos puntuales


1. vacancia 4. átomo extraño intersticial

3. átomo extraño

pequeño sustitucional

3. átomo extraño

grande sustitucional




Dislocaciones de borde









55. Defectos. Defectos

Dislocación detornillo o helicoidal





Dislocaciones mixtas


Bandas y escalones de deslizamiento causadas por elmovimiento de dislocaciones (acero AISI 1010 - SEM)





6 6 . Resistencia real de metales. Resistencia real de metales

Metales reales policristalinos


F´E

B

RP

F

O

66. Resistencia real de los metales. Resistencia real de los metales




Resistencia real f(densidad de dislocaciones)



Enmarañamiento de dislocaciones en límites de grano (TEM)





7 7 . Mecanismos de endurecimiento. Mecanismos de endurecimiento

Recuerdese que: La deformación plástica se debe al movimiento de lasdislocaciones La resistencia a la fluencia de un metal (o aleación)

usualmente se puede incrementar mediante la introducciónde obstáculos al movimiento de dislocaciones

Tales obstáculos pueden ser: Enmarañamiento de dislocaciones Límites de grano Estructuras cristalinas distorsionadas debido a átomos de

impureza Pequeñas partículas dispersas en la estructura cristalina


Métodos de endurecimiento de los metales

7. Mecanismos de endurecimiento7. Mecanismos de endurecimiento

MÉTODOCARACTERÍSTICA QUE IMPIDE ELMOVIMIENTO DE DISLOCACIONES

Trabajo en fríoElevadas densidades de dislocaciones producen

enmarañamientosAfinamiento de grano

Cambios en la orientación del cristal y otrasirregularidades en los límites de grano

Fortalecimiento por solución sólida

Impurezas intersticiales o substitucionalesdistorsionan la estructura cristalina

Endurecimiento por precipitación

Partículas finas de un material duro precipitan fuerade la solución en el enfriamiento

Fases múltiplesDiscontinuidades en los límites de fase de una

estructura cristalinaTemplado y revenido

Estructuras multifásicas de martensita y carburosprecipitados (Fe3C)




Trabajo en frío Produce cambios en la microestructura y por tanto en

las propiedades:

cambio en la forma de grano endurecimiento por deformación y un aumento en la densidad de dislocaciones

Una fracción de la energía consumida en ladeformación es almacenada en el metal como energíade deformación la energía almacenada está asociada con las

concentraciones de tensiones (tracción, compresión ycizalladura) alrededor de las dislocaciones creadas

Además, otras propiedades son modificadas conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión, etc.



Propiedades comportamiento a tracción


Resistencia a la tracción Curvas de tracción





Ductilidad Resistencia a la fluencia

Propiedades comportamiento a tracción


Recuperación

recristalización

crecimiento





T°recristalización

Trabajo en caliente

Trabajo en frío

+ recrista -

lización



Afinamiento de grano El tamaño, o el diámetro medio, de los granos de un metal

policristalino afecta a las propiedades mecánicas El límite de grano actúa como barrera al movimiento de

dislocaciones por dos razones:

la posibilidad de que una dislocación pase de un grano a otrovecino se hace más difícil a medida que aumenta ladiferencia en la orientación (mayor ángulo)

el desorden atómico en el límite de grano producirá unadiscontinuidad de los planos de deslizamiento de un grano aotro

Un material con grano fino es más duro y resistente que otroque tiene granos gruesos

material de grano fino tiene un área total de límite de granomayor para impedir el movimiento de las dislocaciones

Control solidificación, deformación y recristalización





8. Difusi 8. Difusi ó ó n en estado s n en estado s ó ó lido lido

La difusión es una forma de transporte de masa

La difusiónes la migración de átomos a través de lared cristalina no incluye los movimientos atómicos que se producen en la

deformación plástica

>><<ÍNDICEÍNDICE


Energía de activación ( Q ). Generalmente un átomosustitucional requiere mayor energía que otro intersticial

8. Difusi8. Difusióón en estado sn en estado sóólidolido




Mecanismos de difusión



DIFUSIÓN SUBSTITUCIONAL

En el caso anterior no se mencionóel movimiento dedifusión de los átomos de Fe , ya que tal movimientoes insignificante comparado con el de los átomos más

pequeños y más móviles del C . Supóngase, ahora, que el par de difusión está formado

por Cu y Ni (ver figura siguiente) Átomos casi del mismo tamaño se disuelven uno

en otro como solutos substitucionales Se espera que la movilidad de estos átomos sea de

casi el mismo orden de magnitud Se debe considerar tanto la difusión del Cu hacia la

derecha como la del Ni hacia la izquierda





Difusión substitucional delpar cobre-níquel. Al final,los átomos de cobreestán uniformementedistribuidos en todo elníquel



CARBURIZACIÓN O CEMENTACIÓN Supóngase que unabarra de Fe puro tiene un

extremo relleno con grafito y se calienta a 700°Ccomo se ilustra en la figura siguiente:





Considerando el elemento diferencial de volumen parala difusión unidireccional del experimento anterior:

Se puede demostrar la 2° ley de Fick :

t

C

]Z

C

D[Z11

1 ∂

∂

=∂

∂

∂

∂

Es una ecuación diferencial parcial de C1 como variable dependiente yZ y t como las dos variables independientes C1 = f(Z,t,D)













VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA DIFUSIÓN

Las variables que influyen en la difusión se reflejandirectamente en el coeficiente de difusión D El coeficiente de difusión D no es constante

D es una función de muchas variables, tales como: la temperatura la concentración la estructura cristalina las impurezas

el tamaño de grano Para un caso determinado se supone que estas

variables tienen valores específicos D es un número


Temperatura D es una función notable de la T°

Donde Do , Q y R son constantes independientes de la

temperatura Do : factor de frecuencia frecuencia de vibración de los

átomos que se difunden Q : energía de activación representa la medida de la

barrera de energía que tiende a impedir la difusión R : constante de los gases T : temperatura absoluta (K)

RTQ

eDD o−=


Tema 2-03.0 Ingenieria de Soldadura

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