金属材料与热处理教材习题答案

《金属材料与热处理》教材习题答案

作者：陈志毅

绪论

1．金属材料与热处理是一门怎样的课程？

答：金属材料与热处理这门课程的内容主要包括金属材料的基本知识、金属的性能、金属学基础知识和热处理的基本知识等。 2．什么是从属与从属材料？

答：所谓金属是指由单一元素构成的具有特殊的光泽、延展性、导电性、导热性的物质。如金、银、铜、铁、锰、锌、铝等。而合金是指由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素通过熔炼或其它方法合成的具有金属特性的材料，所以金属材料是金属及其合金的总称，即指金属元素或以金属元素为主构成的，并具有金属特性的物质。 3．怎样才能学好金属材料与热处理这门课程？

答：金属材料与热处理是一门从生产实践中发展起来，又直接为生产服务的专业基础课，具有很强的实践性，因此在学习时应结合生产实际，弄清楚重要的概念和基本理论，按照材料的成分和热处理决定其组织，组织决定其性能，性能又决定其用途这一内在关系进行学习和记忆；认真完成作业和实验等教学环节，就完全可以学好这门课程的。

第一章 金属的结构与结晶

1．什么是晶体和非晶体？它们在性能上有什么不同？想一想，除了金属，你在生活中还见过哪些晶体？

答：原子呈有序、有规则排列的物质称为晶体；而原子呈无序、无规则堆积状态的物质称为非晶体。晶体一般具有规则的几何形状、有一定的熔点，性能呈各向异性；而非晶体一般没有规则的几何形状和一定的熔点，性能呈各向同性。生活中常见的食盐、冰糖、明矾等都有是典型的晶体。

2．什么是晶格和晶胞？金属中主要有哪三种晶格类型？它们的晶胞各有何特点？

答：假想的能反映原子排列规律的空间格架，称为晶格。晶格是由许多形状、大小相同的小几何单元重复堆积而成的。我们把其中能够完整地反映晶体晶格特征的最小几何单元称为晶胞。金属中主要有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三种晶格类型，

体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体的中心；面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体六个面的中心；密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱，原子除排列于柱体的每个顶点和上、下两个底面的中心外，正六棱柱的中心还有三个原子。 3． 晶体在结构上有哪些缺陷？

答：常见的晶体结构缺陷有晶界、亚晶界、位错（刃位错、螺旋位错）以及间隙、空位、和置代原子等。

4． 什么是结晶？结晶由哪两个基本过程组成？

答：生产上将液态金属凝固的过程称为结晶。金属的结晶过程由晶核的产生和长大两个

基本过程所组成，并且这两过程是同时进行的。

5． 晶粒大小对金属材料性能有什么影响？铸件在浇注过程中是如何细化晶粒的？

答：金属结晶后，一般是晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好，所以控制材料的晶粒大小具有重要的实际意义。铸件在浇注过程中为了得到细晶粒的铸件，常采取以下几种方法：增加过冷度，进行变质处理，采用振动处理等。 6． 什么是同素异构转变？具有同素异构转变的金属有哪些？ 答：在固态下，金属随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为金属的同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、锰、锡、钛等。 7． 金属的同素异构转变与结晶相比有哪些异同点？

答：金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处：有一定的转变温度，转变时都有过冷现象；放出和吸收潜热；转变过程也是一个形核和晶核长大的过程，但同素异构转变属于固态相变，所以具有其本身的特点，例如：同素异构转变时，由于晶界处具有较高的能量，新晶格的晶核总是在原来晶粒的晶界处形核；另外固态时原子的迁移扩散较困难，所以转变时需要较大的过冷度；晶格的变化伴随着金属体积的变化，转变时会产生较大的内应力。

第二章 金属材料的性能

1．机械零件损坏的形式有哪些？

答：机械零件在使用中常见的损坏形式有：变形、断裂及磨损等。 2．什么是载荷？根据性质不同分为哪几种？

答：材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，载荷可分为静载荷、冲击载荷及交变载荷三种。

3．什么是金属的力学性能？金属的力学性能包括哪些？

答：金属材料所具有的承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力，称为材料的力学性能。金属的力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度指标。 4．什么是强度？强度有哪些衡量指标？这些指标用什么符号表示？如何测量？

答：金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。材料常用的强度指标有：屈服强度ReL（σs），规定非比例延伸强度Rp0.2（σ0.2），抗拉强度Rm（σb）等，这些指标都是通过拉伸试验测量的。

5．什么是塑性？塑性有哪些衡量指标？这些指标用什么符号表示？如何测得？

答：材料受力后断裂前产生塑性变形的能力称为塑性。塑性的衡量指标有：断后伸长率A (δ)和断面收缩率Z（ψ）这些指标也是通过拉伸试验测量的。

6．什么是硬度？常用的硬度试验法有哪三种？各用什么符号表示？

答：材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度，它是衡量材料软硬程度的指标。常用的硬度试验法有布氏硬度试验法（HB）、洛氏硬度试验法（HR）和维氏硬度试验法（HV）。

7．布氏硬度试验法有哪些优缺点？它主要适用于什么样材料的测试？

答：布氏硬度试验法, 压痕直径较大,能较准确地反映材料的平均性能。且由于强度和硬度间有一定的近似比例关系，因而在生产中较为常用。但由于测压痕直径费时费力，操作时间长，而且不适于测高硬度材料；压痕较大，只适合毛坯和半成品的测试，而不宜对成品及薄壁零件测试。所以生产中布氏硬度主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。

8．常用的洛氏硬度标尺有哪三种？各用什么符号表示？最常用的是一种？

答：常用的洛氏硬度标尺有A、B、C三种，分别用符号HRA、HRB和HRC表示，其中C标尺应用最广。

9．什么是冲击韧性？什么是冲击韧度？其值用什么符号表示？

答：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。通过一次摆锤冲击弯曲试验测定出的试样缺口处单位横截面积上所吸收的功来反映金属材料冲击韧性好坏的指标称为冲击韧度（αk）。

10．什么是金属的疲劳断裂？什么是疲劳强度？

答：零件长期在交变载荷作用下，承受的应力虽低于材料的屈服强度，但经过长时间的工作后，仍会产生裂纹或突然发生断裂。金属这样的断裂现象称为疲劳断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力称为疲劳强度。 11．生产中如何提高零件的抗疲劳能力？

答：在生产中为了提高零件的抗疲劳能力，除合理选材外，细化晶粒，均匀组织，减少材料内部缺陷，改善零件的结构形式，减少零件表面粗糙度数值及采取各种表面强化的方法（如对工件表面淬火、喷丸、渗、镀等），都能取得一定的抗疲劳效果。 12．什么是金属的工艺性能？它包括哪些内容？

答：金属材料的工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。它包括铸造性能、锻造性能、切削加工性能和焊接性能、热处理性能等。

第三章 铁碳合金

1．什么是合金中的元和相？

答：组成合金最基本的独立物质称为组元（简称元）。一般把组成合金的化学元素当作组元，也可把合金中稳定的化合物作为组元。合金中成分、结构及性能相同的组成部分称为相。相与相之间有明显的界面分开。

2．什么是合金的组织？合金的组织有哪几种类型？

答：合金中不同的相的分布状态就称为合金的组织；换而言之，数量、大小、和分布方式不同的相就构成合金不同的组织。由单一相构成的组织为单相组织，由不同相构成的组织称为多相组织。根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分为固溶体、金属化合物和混合物三类。

3．什么是固溶体？固溶强化是怎么回事？

答：固溶体是一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。形成固溶体，时都会使溶剂晶格发生畸变，从而使合金对变形的抗力增加，这种通过溶入溶质元素形成固溶体，而使金属材料强度、硬度提高的现象称为固溶强化。 4．为什么说合金的组织决定它的性能？

答：数量、大小、和分布方式不同的相就构成合金不同的组织。由单一相构成的组织为单相组织，由不同相构成的组织称为多相组织。由于不同相之间的性能差异很大，再加上数量、大小、和分布方式不同，所以合金的组织不同，其性能也就不同。 5．什么是共析转变？什么是共晶转变？

答：在保持温度不变的条件下，从一个固相（奥氏体）同时析出两个固相（铁素体和渗碳体），这种转变称为共析转变。在保持温度不变的条件下，从一个液相中同时结晶出两种固相（奥氏体和渗碳体），这种转变称为共晶转变 。 6．按含碳量铁碳合金可分几种？

答：按含碳量的不同，铁碳合金的室温组织可分为工业纯铁、钢和白口铸铁。其中把含

碳量小于0.0218%的铁碳合金称为纯铁；把含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金称为钢；而把含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。

7． 什么是钢？根据含碳量和室温组织的不同，钢分为哪几类？

答：含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金称为钢，根据钢的含碳量不同可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢；根据钢的室温组织不同可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。 8． 铁碳合金相图有哪些具体用途？

答：铁碳合金相图表明了当含碳量不同时，其组织、性能的变化规律，同时揭示了相同的成分不同的温度时，组织和性能的变化。这为生产实践中的选材，铸造、锻造和热处理工艺的制定提供了依据。

9． 含碳量的变化对钢的性能有何影响？

答：钢中含碳量越高，硬度越高，而塑性、韧性越低，这在钢经过热处理后表现尤为明显。这主要是因为含碳量越高，钢中的硬脆相Fe3 C越多的缘故。钢的强度一般随含碳量的增加而提高，但当含碳量超过0.9％后，由于脆而硬的二次渗碳体沿晶界析出，随二次渗碳体数量增加，形成网状分布，将钢中的珠光体组织割裂开来，使钢的强度有所降低。因此对于碳素钢及低、中合金钢来说，其含碳量一般不超过1.3％。 10．碳钢中存在哪些杂质元素？它们对钢性能有哪些影响？

答：碳素钢中除铁和碳两种元素外，还会不可避免的在冶炼过程中从生铁、脱氧剂等炉料中入一些其它杂质元素，其中主要有硅、锰、硫、磷等元素，这些元素的存在必然会对钢的性能产一定的生影响。

其中硅和锰为有益元素，一方面可提高钢的强度和硬度，此外，锰能与硫形成MnS，从而减轻硫对钢的危害。而硫和磷都是有害元素，其中硫的危害主要是造成钢材的“热脆”； 磷的危害主要是造成钢材的“冷脆”。 11．低碳、中碳和高碳钢是如何划分的

答：含碳量大于0.0218%而小于0.25％时称为低碳钢；当含碳量大于0.25％而小于0.60％时称为中碳钢；当含碳量大于（等于）0.60％以上时就称为低高碳钢。 12．钢的质量是根据什么划分的？

答：钢的质量是根据钢中有害元素硫、磷含量多少划分的，有害元素硫、磷含量越少钢的质量就越好，按质量优劣可分为：普通钢、优质钢和高级优质钢。

13．碳素结构钢、优质碳素结构钢和碳素工具钢在牌号表示方法上有何不同

答：我国钢材的牌号用国际通用的化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字相结合的方法来表示。其中碳素结构钢牌号由以下四部分组成：

(1)屈服点字母：Q－钢屈服强度“屈”，汉语拼音字首。 (2)屈服点强度数值(单位MPa)。

(3)质量等级符号：A、B、C、D级，从A到D依次提高。

(4)脱氧方法符号：F－沸腾钢、b－半镇静钢 、Z－镇静钢、TZ－特殊镇静钢，Z与TZ符号在钢号组成表示方法中予以省略。例如，Q235AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。优质碳素结构钢的牌号则用两位数字表示，这两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数。优质碳素结构钢根据钢中含锰量的不同，分为普通含锰量钢（Mn=0.35％~0.80％）和较高含锰量钢（Mn=0.7％~1.2％）两组。较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号“Mn”。例如50Mn。

碳素工具钢的牌号以汉字“碳”的汉语拼音字母字头“T”及后面的阿拉伯数字表示，其数字表示钢中平均含碳量的千分数。例如T8表示平均含碳量为0.80％的优质碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后面标以字母A。例如，T12 A表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。

14．试对比分析优质碳素结构钢、碳素工具钢的牌号与含碳量及其它们在相图中对应的室温组织和的用途间的关系。

答：优质碳素结构钢用两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数，多为低、中碳钢。在相图中对应的室温组织主要为F+P或P组织；如08~25钢主要用于制作冲压件、焊接结构件及强度要求不高的机械零件及渗碳件30~55钢主要用来制作受力较大的机械零件，如连杆、曲轴、齿轮和联轴器等。60钢以上的牌号主要用来制造具有较高强度、耐磨性和弹性的零件，如弹簧垫圈、板簧和螺旋弹簧等弹性零件及耐磨零件。

而碳素工具钢的牌号其数字表示钢中平均含碳量的千分数，在相图中对应的室温组织主要为P和P+ Fe3 C组织。硬度高，耐磨性好，主要用于制造刀具、模具和量具。 15．铸钢一般应用于什么场合？其牌号由那些几部分构成？试举例说明各部含义。

答：铸造碳钢的牌号是用“铸钢”两汉字的汉语拼音字母字头“ZG”后面加两组数字组成：第一组数字代表屈服点，第二组数字代表抗拉强度值。如ZG270—500表示屈服点不小于270MPa，抗拉强度不小于500MPa的铸造碳钢。

第四章 钢的热处理

1. 钢在热处理时加热的目的是什么？钢在加热时奥氏体化过程分为哪几步？

答：钢在热处理时,都要先加热。其目的是使钢的组织转变为奥氏体组织，通常把这种加热转变过程称为钢的奥氏体化。这一转变过程遵循结晶过程的基本规律，也是通过形核及晶核长大的过程来进行的，其转变过程可归纳为以下三个阶段：第一阶段为奥氏体晶核的形成及长大，第二阶段：残余渗碳体的溶解，第三阶段为奥氏体的均匀化。

2. 以共析钢为例，过冷奥氏体在不同温度等温冷却时，可得到哪些不同产物？其性能如

何？

答：过冷奥氏体在Ａ1 以下等温转变的温度不同，转变产物也不同，在Ms线以上，共析钢可发生珠光体型和贝氏体型两种类型的转变。

珠光体组织是一种综合力学性能较好的组织。珠光体的力学性能主要取决于片层间距的大小（相邻两片Fe3C的平均间距），片层间距越小，则珠光体的塑性变形抗力越大，强度和硬度越高。贝氏体人为上、下贝氏体，其中上贝氏体脆性大，性能差；而下贝氏体却有较高的硬度和强度，同时塑性、韧性也较好，并有高的耐磨性和组织稳定性。是各种复杂模具、量具、刀具热处理后的一种理想组织。

3. 什么是马氏体？它有哪两种类型？它们的性能各有何特点？

答：所谓马氏体是在快速冷却转变过程中，只有γ-Fe向α-Fe的晶格改变，而不发生碳原子的扩散。因此，溶解在奥氏体中的碳，转变成后原封不动地保留在α-Fe铁的晶格中，形成碳在α－Fe中的过饱和固溶体组织。马氏体的组织形态有针状和板条状两种。针状马氏体的含碳量高，性能特点是硬度高而脆性大。板条状马氏体的含碳量低，性能特点是具有良好的强度和较好的韧性。马氏体的硬度主要取决于马氏体中的含碳量。马氏体的含碳量越高，?其硬度也越高。

4. 什么是临界冷却速度？

答：在冷却时获得全部马氏体所需的最小冷却速度就是临界冷却速度(V临)。当奥氏体的冷却速度大于该钢的V临急冷到MS 以下时，奥氏体便不再转变为除马氏体外的其它组织。

5. 共析钢奥氏体化后在空冷、水冷、油冷和炉冷条件下各得到什么组织？

答：共析钢奥氏体化后在空冷、水冷、油冷和炉冷条件下分别得到：索氏体组织、马氏体组织、马氏体组织+屈氏体组织以及珠光体组织。

第七章有色金属及硬质合金

1. 纯铜的性能有何特点？纯铜的牌号如何表示？

答：铜的密度为8.96 ×103 kg/m3，熔点为1083℃，其导电性和导热性仅次于金和银，是最常用的导电、导热材料。它的塑性非常好，易于冷、热压力加工，在大气及淡水中有良好的抗蚀性能，但纯铜在含有二氧化碳的潮湿空气中表面会产生绿色铜膜，称为铜绿。纯铜强度低，虽然冷加工变形可提高其强度，但塑性显著降低，不能制作受力的结构件。

按化学成分不同可分为工业纯铜和无氧铜两类，我国工业纯铜有三个牌号：即一号铜（99.95%Cu）、二号铜（99.90%Cu），三号铜（99.7%Cu），其代号分另为T1、T2、T3；无氧铜，其含氧量极低，不大于0.003%，其代号有TU1、TU2，“U”是“无”字汉语拼音字首。 2. 铜合金有哪几类？它们是根据什么来区分的？

答：常用的铜合金有黄铜、青铜、白铜三大类。黄铜是以锌为主加合金元素的铜合金，白铜是以镍为主加合金元素的铜合金，除了黄铜和白铜外，所有的铜基合金都称为青铜。按主加元素种类的不同，青铜又可分为锡青铜、铝青铜、硅青铜和铍青铜等。 3. 锌的含量对黄铜的性能有何影响？

答：锌含量在32％以下时，随锌含量的增加，黄铜的强度和塑性不断提高，当锌含量达到30％一32％时，黄铜的塑性最好。当锌含量超过39％以后，强度继续升高，但塑性迅速下降。当锌含量大于45％以后，强度也开始急剧下降，所以工业上所用的黄铜Zn含量一般不超过47％。

4. 青铜按生产方式分为哪两类？它们的牌号如何表示？

答：按生产方式也可分为压力加工青铜和铸造青铜两类。

压力加工青铜的代号由“Q”＋主加元素的元素符号及含量＋其他加人元素的含量组成，如QSn4一3。铸造青铜的牌号表示方法由“ZCu”+主加元素符号+主加元素含量+其他加入元素的元素符号及含量组成。如ZCuSn5Pb5Zn5等。 5. 含锡量对锡青铜的性能有何影响？

答：锡含量较小时，随着锡含量的增加，青铜的强度和塑性增加，当锡含量超过5%~6%时，其塑性急剧下降，强度仍然高。当含锡量大于10%时，塑性己显著降低。当含锡量大于20％后，强度显著降低，合金变得硬而脆，已无使用价值。故工业用的锡青铜，其含锡量一般在3%~14％。

6. 铜及合金有哪些主要的用途？试举例说明。

答：纯铜主要用于导电材料；黄铜与青铜具有良好的机械性能，易加工成型，对大气、海水有相当好的抗蚀能力，是应用较广的有色金属材料，主要用生产生活中有一定耐蚀和耐磨性要求的零件、工艺品等；白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形性，是精密仪器仪表，化工机械、医疗器械及工艺品制造中的重要材料。 7. 铝及合金是如何分类的？

答：铝合金根据成分特点和生产方式不同可分为：变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金根据性能的不同又分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种；铸造铝合金按加入的主要合金元素的不同，又分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系合金。 8. 纯铝有何性能特点？其牌号如何表示？

答：纯铝的密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低；纯铝有极好的抗大气腐蚀性能；纯铝具有加工性能好，比强度高的特点，塑性（A=30～50%，Z=80%），易于压力成型加工，并有良好的低温性能。

纯铝按纯度分为高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝三类。高纯铝：99.996%～99.93%，用

于科研， 代号L04～L01。工业高纯铝：99.9%～99.85%，用于作铝合金的原料、特殊化学器械等，代号L0、L00。工业纯铝：99.0%～98.0%， 用作管、线、板材和棒材，代号L1～L6。

9. 变形铝合的代号是如何规定的？

答：按国家标准(GB3190-82)规定，防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝代号分别用“LF”“LY”“LC”“LD”等字母及一组顺序号表示，如LF5、LY1、LC4、LD5等。 10. 什么样的铝合金可通热处理强化？

答：变形铝合金当溶质B含量在F一D点之间时，其α固溶体中溶质的含量将随温度而变化，这类合金可以通过热处理强化其性能；对于铸造铝合金，其合金元素的含量要比变形铝合金高些，其中绝大多数可以通过热处理进行强化。 11. 铸造铝合分为哪几种？牌号如表示？

答：铸造铝合金按加入的主要合金元素的不同，又分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系合金，其代号用“ZL”两个字母和三个数字表示，其中第一位数字表示合金的类别（1为Al-Si系，2为Al-Cu系，3为Al-Mg系，4为Al-Zn系），后两位为合金的序号。如ZL102，ZL203,ZL302，ZL401等。 12. 举例说明铝及合金的主要用途。

答：从我们是常生活中的水壶、门窗到飞机、火箭上成千上成的零件都能见到铝及合金的身影，目前，铝及合金被广泛应用于电器工程、航空航天、汽车制造及生活日用等各个领域。

13. 钛及合金有哪些特殊的性能特点？有哪些主要用途？

答：钛是一种新金属材料。钛及合金因具有密度小、强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，由于钛合金在海水和蒸汽中的抗蚀能力比铝合金、不锈钢和镍合金还好，因而很快被广泛用于航空、航天、医疗、石油、化工、造船以及国防工业等各个领域中。 14. 钛合金是如何分类的？牌号如何表示？其中哪种钛合金用途最为广泛？

答：目前，世界上已研制出的钛合金有数百种，最著名的合金有20～30种，常用的钛合金可以分为α型、α+β型、β型合金三类。α型钛合金中主要加入Al和Sn等元素，牌号用TA5~TA7表示，β型合金中主要加入铜、铬、铝、钒和铁等促使β相稳定的元素，它们在正火或淬火时容易将高温β相保留到室温组织，得到较稳定的β相组织。α+β—钛合金含有铬、钼、钒等β相稳定元素外，还含有锡、铝等α相稳定元素，室温下为α+β两相组织。牌号用TC+序号表示。

α+β—钛合金的强度、耐热性和塑性都比较好，并可以热处理强化，应用范围较广。应用最广的是TC4（钛铝钒合金），它具有较高的强度和良好的塑性在400℃时．组织稳定，强度较高，抗海水腐蚀能力强。

15. 什么是硬质合金？它可分为有哪几类？通常怎样选用？

答：硬质合金是指将一种或多种难熔金属硬碳化物和粘结剂金属，通过粉末冶金工艺生产的一类合金材料。按成分与性能特点不同，常用的硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钴钛类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金三大类，根据ISO相关标准规定分别用英文字母K、P、M表示。因此K类硬质合金刀具适合加工脆性材料（如铸铁、青铜），而P类硬质合金刀具适合加工塑性材料（如钢等）。M类硬质合常用来加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的材料。

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