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文档简介
1 1 材料物理基础材料物理基础 2012年年9月月 Fundamentals of Materials Physics 第一章第一章 绪绪论 论 2 固体结构固体结构 各种固体结构的主要特征和形成规律各种固体结构的主要特征和形成规律 晶体学基础晶体学基础 晶体结构的表征方法和符号晶体结构的表征方法和符号 晶体缺陷晶体缺陷 各种晶体缺陷的主要特征和相互作用各种晶体缺陷的主要特征和相互作用 扩散理论扩散理论 晶体中原子的热运动晶体中原子的热运动 扩散定律和机制扩散定律和机制 课程主要内容课程主要内容 2 相图和相变相图和相变 平衡相图平衡相图 相存在的成分和温度范围相存在的成分和温度范围 相变的类型 基本特征 基本过程相变的类型 基本特征 基本过程 材料的弹塑性变形材料的弹塑性变形 变变形的机理形的机理 变形组织变形组织的特的特征征 性能性能 回复与再结晶回复与再结晶 变形组织随温度变化的规律变形组织随温度变化的规律和机理和机理 温度和应力温度和应力对微观组织的对微观组织的耦合作耦合作用用 课程主要内容课程主要内容 3 4 找关系 求异同找关系 求异同 透过现象看本质透过现象看本质 固体结构的概念固体结构的概念 表征方法表征方法 基本特征基本特征 各种微观组织结构的形成条件各种微观组织结构的形成条件 形成规律形成规律 形成过程形成过程 在温度在温度 热热 和应力作用下微观组织结构的变化和应力作用下微观组织结构的变化 断裂断裂 的规律和机制的规律和机制 微观结构贯穿始终 微观结构贯穿始终 学科相关基础知识学科相关基础知识 历史背景和主要创立人历史背景和主要创立人 课程主要内容课程主要内容 4 5 教学参考书教学参考书 1 余永宁余永宁 材料科学基础材料科学基础 北京 高等教育出版社北京 高等教育出版社 2006 2 石石德德珂珂 朱维朱维斗斗 材材料物料物理理 北北京 机京 机械工业出版社械工业出版社 2006 3 潘潘金生等金生等 材料科学基础材料科学基础 北京 清华大学出版社北京 清华大学出版社 1998 4 胡赓祥胡赓祥 蔡洵主编蔡洵主编 材料科学基础材料科学基础 上海 上海交通大学出上海 上海交通大学出 版社版社 2000 5 周公度周公度 结构化学基础结构化学基础 北京北京 北京大学出版社北京大学出版社 1995 6 黄黄昆等昆等 固体物理固体物理 北京 高等教育出版社北京 高等教育出版社 1996 7 Robert W Cahn and Peter Haasen Physical Metallurgy Elsevier Science B V Amsterdam 1996 8 Richard W Hertsberg Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials Wiley 4th ed 1995 9 杨柯等译杨柯等译 走进材料科学走进材料科学 北京 化学工业出版社北京 化学工业出版社 2008 Robert W Cahn The Coming of Materials Science 5 6 6 教学安排教学安排 周次周次 内容内容 2 4 第一章绪论第一章绪论 第二章第二章 固体结构固体结构 6 7 第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 第四章第四章 固体中的扩散固体中的扩散 8 9 第五章第五章 相图与相变相图与相变 10 11 第六章第六章 变形与再结晶变形与再结晶 12 考试考试 6 7 课堂教授课堂教授 课堂练习课堂练习 课堂习题讨论课堂习题讨论 课外阅读和作业课外阅读和作业 平时成绩平时成绩 期末考试期末考试 教学安教学安排和要求排和要求 上课的重要性上课的重要性 掌握重点掌握重点 交流思想交流思想 作业的重要性作业的重要性 消化所学内容消化所学内容 发现问题发现问题 阅读的重要性阅读的重要性 提高自学能力提高自学能力 提出问题提出问题 7 8 课程目课程目的和要求的和要求 掌握材料物理基础的掌握材料物理基础的相关知识相关知识 包括术语包括术语 概念概念 定义定义 定律定律 理论理论 理解和掌握材料分析的理解和掌握材料分析的基本方法基本方法 基本思路基本思路 提高独立思考的能力提高独立思考的能力 提高分析和解决问题的研究能力提高分析和解决问题的研究能力 提高口头和书面的的表达能力提高口头和书面的的表达能力 要求简洁要求简洁 准确准确 完整完整 逻辑性逻辑性 知识知识 方法方法 能力能力 思想思想 智慧智慧 8 通往斯德哥尔摩之路通往斯德哥尔摩之路 一书的作者伊什特万一书的作者伊什特万 豪尔吉陶伊豪尔吉陶伊 在该书的前言中这样写道 在该书的前言中这样写道 科学已经成为一种产业科学已经成为一种产业 如如 今我们并不仅仅抱怨一般公众的科学素养低今我们并不仅仅抱怨一般公众的科学素养低 我们的担心我们的担心 在于在于 甚至研究生都不是很精通他们所学领域的历史甚至研究生都不是很精通他们所学领域的历史 他他 们对于他们著名的前辈科学家们的贡献备感陌生们对于他们著名的前辈科学家们的贡献备感陌生 或许或许 在笔者看来在笔者看来 他的担心还不够他的担心还不够 我们的教授中间又有多少我们的教授中间又有多少 人能够人能够 很精通他们所学领域的历史很精通他们所学领域的历史 呢呢 徐坚的博文 徐坚的博文 9 课程目课程目的和要求的和要求 10 take ownership of your learning and make the investment learn by studying the homework and reference books Everybody in this room has the intellectual apparatus not to just pass the 3 091 but to flourish in the 3 091 10 MIT Donald Sadoway 3 091 Introduction to Solid State Chemistry 关键在投入 关键在投入 10 课程目课程目的和要求的和要求 钱伟长先生认为钱伟长先生认为 培养创新精神的人有一条要自学 一个没有自学精培养创新精神的人有一条要自学 一个没有自学精 神的人是不会有创造力的 大学不是教给学生一脑子的神的人是不会有创造力的 大学不是教给学生一脑子的 知识 而是教会学生自己去发现问题 解决问题 如知识 而是教会学生自己去发现问题 解决问题 如 果毕业的时候 他带着 一肚皮问题 离开学校 那我果毕业的时候 他带着 一肚皮问题 离开学校 那我 们的教育就成功了 们的教育就成功了 11 重在提出问题和解决问题 重在提出问题和解决问题 11 课程目课程目的和要求的和要求 大学的四块 基石 之一大学的四块 基石 之一 不不管一个人未来所从事的工作是什么 但最为重要的是他管一个人未来所从事的工作是什么 但最为重要的是他要学会思考要学会思考 大大学必须成为这样的一个圣地 不仅在这里可以获得信息 同时你也可以学必须成为这样的一个圣地 不仅在这里可以获得信息 同时你也可以 在这里学到最为在这里学到最为核心的思考技能核心的思考技能 我我们所需要的是有不同技能和思考能力的 们所需要的是有不同技能和思考能力的 能清晰进行思考的 能提出比能清晰进行思考的 能提出比 较刁钻问题的 能有效表达自己想法的公民较刁钻问题的 能有效表达自己想法的公民 因此 在大学里 我们非常 因此 在大学里 我们非常 希望学生能问刁钻的问题 我们鼓励学生进一步地去平衡 去考虑各种各希望学生能问刁钻的问题 我们鼓励学生进一步地去平衡 去考虑各种各 样他们所拿到的证据和论据 来让对方接受自己的论点样他们所拿到的证据和论据 来让对方接受自己的论点 12 悉尼大学校长悉尼大学校长Michael Spence作客中科院研究生院谈大学作客中科院研究生院谈大学 存在意义存在意义科学时报科学时报 20112011 1010 2727 学会思考 学会思考 12 课程目课程目的和要求的和要求 13 只有用心才能看得清楚 实质性的东西 用眼睛是看不见的只有用心才能看得清楚 实质性的东西 用眼睛是看不见的 圣埃克苏佩里圣埃克苏佩里 法 小王子 法 小王子 月华澄有象月华澄有象 诗思在无形诗思在无形 齐已和尚齐已和尚 夜坐夜坐 课程目课程目的和要求的和要求 泰坦尼克号的快速沉没 百年之谜 泰坦尼克号的快速沉没 百年之谜 A huge ship 268 meters long Steel structure very strong 不沉之船 不沉之船 最最现代化的船舶 使用了最新的技术创新现代化的船舶 使用了最新的技术创新 On Apr 15 1912 it collided with an iceberg and sank within 2 hours and 40 minutes with a loss of more than 1 500 lives 14 15 90 meters Six slits 泰坦尼克号的快速沉没 泰坦尼克号的快速沉没 百年之谜 百年之谜 被冰山撕开了约被冰山撕开了约9090米长的裂口米长的裂口 残骸上发残骸上发 现裂口的边缘现裂口的边缘没有塑性变形没有塑性变形 铁质铆钉铁质铆钉未达到最佳标准未达到最佳标准 低温脆性 低温脆性 劣质铆钉 劣质铆钉 15 911911世贸大楼的顷刻倒塌 防不胜防 世贸大楼的顷刻倒塌 防不胜防 On Sept 11 2001 World Trade Center was attacked and the towers collapsed 2752 people were killed 世贸大楼共世贸大楼共110110层 层 411411米高 是由几幢建筑物组成的综合体 其主体米高 是由几幢建筑物组成的综合体 其主体 北楼和南楼 呈双塔形 塔柱边宽 北楼和南楼 呈双塔形 塔柱边宽63 563 5米 地基扎在坚固的岩石层上 米 地基扎在坚固的岩石层上 大楼采用大楼采用钢结构 用钢钢结构 用钢7 7万万8 8千吨千吨 楼的外围有密置的钢柱 墙面由铝板 楼的外围有密置的钢柱 墙面由铝板 和玻璃窗组成 和玻璃窗组成 有 世界之窗 之称 大楼一切机器设备都用电脑控制 有 世界之窗 之称 大楼一切机器设备都用电脑控制 不论热暑寒冬 均能自动调节 被誉为 不论热暑寒冬 均能自动调节 被誉为 现代技术精华的汇集现代技术精华的汇集 16 911911世贸大楼的顷刻倒塌 防不胜防 世贸大楼的顷刻倒塌 防不胜防 双塔楼在几十分钟内相继倒塌双塔楼在几十分钟内相继倒塌 燃油燃油 大火大火 高温高温 支撑大楼的支撑大楼的钢筋骨架钢筋骨架软化 软化 自身重力的作用下坍塌自身重力的作用下坍塌 大楼结构足以抵御大型飞机的直接撞击大楼结构足以抵御大型飞机的直接撞击 17 101人死亡人死亡 88人重伤人重伤 106人轻人轻 伤伤 遇难者包括两名儿童遇难者包括两名儿童 生还生还 的的18名儿童中有名儿童中有6人失去了母亲人失去了母亲 1998年年6月月3日日10时时58分分 一辆运载一辆运载 287人的德国城际特快列车人的德国城际特快列车 ICE 从从 慕尼黑开往汉堡慕尼黑开往汉堡 在途经小镇艾雪在途经小镇艾雪 德附近突然脱轨德附近突然脱轨 列车的列车的8节车厢节车厢 依次相撞在一起依次相撞在一起 挤得仅剩下一节挤得仅剩下一节 车厢的长度车厢的长度 德国高铁事故 弄巧成拙 德国高铁事故 弄巧成拙 18 罪魁祸首 罪魁祸首 车轮外钢圈疲劳断裂车轮外钢圈疲劳断裂 交变载荷交变载荷 磨损磨损 微裂纹微裂纹 结构设计结构设计 单单壳壳钢轮钢轮 双双壳壳钢轮 橡胶 钢轮 橡胶 减少震动和噪音 降低成本减少震动和噪音 降低成本 捡了芝麻 丢了西瓜捡了芝麻 丢了西瓜 德国高铁事故 弄巧成拙 德国高铁事故 弄巧成拙 19 1988年年4月月28日下午日下午 美国阿洛哈航空公司美国阿洛哈航空公司243 航班从夏威夷起飞前往檀香山 航班从夏威夷起飞前往檀香山 航班使用航班使用B737 由副驾驶操纵机长监督 副由副驾驶操纵机长监督 副 驾驶女驾驶女37岁岁 飞行飞行8000小时小时 机长机长44岁 飞岁 飞 行行8500小时 小时 13 45飞机刚刚爬升到巡航高度飞机刚刚爬升到巡航高度 机组忽然机组忽然 听到头顶上方一声巨响 听到头顶上方一声巨响 飞机客舱中段上方飞机客舱中段上方 一大块天花板已经没了 一大块天花板已经没了 飞机变成了 敞篷飞机变成了 敞篷 跑车 跑车 除了一名空服员 机上所有人全都奇迹似地除了一名空服员 机上所有人全都奇迹似地 生还 生还 九宵惊魂 九宵惊魂 堤溃蚁穴 堤溃蚁穴 20 千丈之堤 以蝼蚁之穴溃 百尺之室 千丈之堤 以蝼蚁之穴溃 百尺之室 以突隙之烟焚 以突隙之烟焚 先秦先秦 韩非韩非 韩非韩非 子子 喻老喻老 臣闻轻者重之端 小者大之源 故堤溃 臣闻轻者重之端 小者大之源 故堤溃 蚁孔 气泄针芒 是以明者慎微 智者识蚁孔 气泄针芒 是以明者慎微 智者识 几 几 汉汉 陈宠陈宠 清盗源疏清盗源疏 小裂纹酿成大祸小裂纹酿成大祸 疲劳裂纹扩展断裂疲劳裂纹扩展断裂 九宵惊魂 九宵惊魂 堤溃蚁穴 堤溃蚁穴 21 高强度钢丝性能 谁主沉浮 高强度钢丝性能 谁主沉浮 0 5 10 15 20 25 30 工艺状态工艺状态 扭断次数扭断次数 20 33 4 57 4 00 4 71 17 9 14 8 冷拉 浸铅 7 3s 浸铅 12 9s 浸铅 24 6s 镀锌 稳定化 0 5 10 15 20 25 30 工艺状态工艺状态 扭断次数扭断次数 20 33 4 57 4 00 4 71 17 9 14 8 冷拉 浸铅 7 3s 浸铅 12 9s 浸铅 24 6s 镀锌 稳定化 图图 扭扭转诊断实验结果转诊断实验结果 6 6种不同种不同 工艺状态下的扭转破断次数工艺状态下的扭转破断次数 苏通大桥路线全长苏通大桥路线全长32 432 4公里 其公里 其 中跨江大桥长约中跨江大桥长约8 28 2公里 公里 其主桥采用主跨其主桥采用主跨10881088米双塔斜拉米双塔斜拉 桥 桥塔高度达桥 桥塔高度达300 4300 4米 米 苏通大桥最长拉索为苏通大桥最长拉索为577577米 最大米 最大 重量为重量为5959吨 吨 苏通大桥斜拉索用钢将全部采用苏通大桥斜拉索用钢将全部采用 宝钢产品 首次打破进口产品的宝钢产品 首次打破进口产品的 垄断 垄断 22 石墨烯石墨烯是由碳六元环组成的是由碳六元环组成的二维二维 2D 周期蜂窝状点阵结构周期蜂窝状点阵结构 翘曲成翘曲成零维零维 0D 的富勒烯的富勒烯 fullerene 卷成卷成一维一维 1D 的碳纳米管的碳纳米管 carbon nano tube CNT 堆垛成堆垛成三维三维 3D 的石墨的石墨 graphite 碳的家族 谁最强 碳的家族 谁最强 23 在碳的家族中在碳的家族中 为什么石墨为什么石墨 烯具有非凡的性能烯具有非凡的性能 而石墨而石墨 却没有却没有 1 石墨烯 石墨烯是人们所知的导电 是人们所知的导电 导热性能最强的材料 导热性能最强的材料 2 石墨烯石墨烯拥有超凡的坚硬度拥有超凡的坚硬度 柔韧度柔韧度 透明度透明度 撑杆跳高撑杆跳高 材料决定世界纪录 材料决定世界纪录 24 25 金属材料金属材料 Metallic Materials 钢铁 有色金属和合金钢铁 有色金属和合金 陶瓷材料陶瓷材料 无机非金属材料无机非金属材料 Ceramics Inorganic Materials 非氧化物 碳化物 氮化物 氧化物 硅酸盐非氧化物 碳化物 氮化物 氧化物 硅酸盐 高分子材料高分子材料 Polymers 橡胶 纤维 塑料和胶粘剂橡胶 纤维 塑料和胶粘剂 Metal Matrix 金属基复合材料 金属基复合材料 复合材料复合材料 Polymer Matrix 高分子基复合材料 高分子基复合材料 Ceramic Matrix 陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料 Composites 材料的分类和性能材料的分类和性能 25 26 结构材料 结构材料 主要用于结构目的的材料主要用于结构目的的材料 以力学性能为主要性能的材料以力学性能为主要性能的材料 具有抵抗力场作用而保持自己的形状 结构不变的优良具有抵抗力场作用而保持自己的形状 结构不变的优良 力学性能 高的强度 延展性和韧性等 力学性能 高的强度 延展性和韧性等 功能材料 功能材料 被用于非结构目的的材料被用于非结构目的的材料 以物理性能为主要性能的材料以物理性能为主要性能的材料 具有优良的电学 磁学 光学 热学 声学等功能及其具有优良的电学 磁学 光学 热学 声学等功能及其 相互转化的功能相互转化的功能 材料的分类和性能材料的分类和性能 26 1 为什么材料会有不同的性能为什么材料会有不同的性能 决定材料性能的关键因决定材料性能的关键因 素是什么素是什么 2 为什么材料在使用过程会失效为什么材料在使用过程会失效 导致材料失效的原因导致材料失效的原因 和机理是什么和机理是什么 3 对于对于特定的特定的用途用途 使用环境使用环境 如何获得和调控材料如何获得和调控材料 的性能的性能 4 在进行构件在进行构件 器器件件 设计时设计时 如如何选何选择合适的材择合适的材料和料和 制备方法制备方法 5 材料科学与工程的四个要素是什么材料科学与工程的四个要素是什么 四个要素之间有四个要素之间有 何关联性何关联性 材料的因果关系材料的因果关系 27 合成合成 加工 工艺条件 加工 工艺条件 Synthesis processing 服役环境 条件 服役环境 条件 微观结构微观结构 Micro structure 化学成分化学成分 Chemical Composition 性能性能 使用性能 效能 使用性能 效能 properties performance 材料的因果关系材料的因果关系 微观结构微观结构 材料的宏观行为 性能材料的宏观行为 性能 效能 效能 成分和成分和工艺 服役环境 工艺 服役环境 材料的微观结构材料的微观结构 28 The six elements of materials science and engineering after Shi in 1999 29 结构设计结构设计 材料设计材料设计 工艺设计工艺设计 计算机模拟计算机模拟 成本成本 经济性 经济性 现代制造工艺方法现代制造工艺方法 和设备的发展和设备的发展 现代分析测试技术现代分析测试技术 和仪器的发展和仪器的发展 材料的因果关系材料的因果关系 构件结构和环境构件结构和环境 29 30 材料科学与工程 材料科学与工程 MSE 研究材料的成分 微观结构和制备工艺 服役 与其性能研究材料的成分 微观结构和制备工艺 服役 与其性能 和使用之间的相互关系的知识 和使用之间的相互关系的知识 研究这些知识的由来和应用研究这些知识的由来和应用 成分成分 工艺 服役 工艺 服役 微观结构微观结构 材料性能材料性能 使用性能使用性能 基础科学基础科学 基本研究基本研究 实践经验实践经验 社会需要社会需要 材料科学与工程材料科学与工程 材料研究 生产 使用和发展的科学基础 材料研究 生产 使用和发展的科学基础 30 31 Property is a material trait in terms of the kind and magnitude of response to a specific imposed stimulus Generally definitions of properties are made independent of material shape and size William D Callister Jr Fundamentals of Materials Science and Engineering 材料性能是一种参量材料性能是一种参量 用于表征在给定外界条件下的行为用于表征在给定外界条件下的行为 肖纪美 肖纪美 材料学的方法论 材料学的方法论 性能性能 使用性能 效能 使用性能 效能 properties performance 基本概念 定义 基本概念 定义 31 32 热学性能 热学性能 热容量 热容量 导热性 热膨胀等导热性 热膨胀等 声学性能 声的折射 反射等声学性能 声的折射 反射等 光学性能 折射率 黑度等光学性能 折射率 黑度等 电学性能 导电率 介电系数等电学性能 导电率 介电系数等 磁学性能 导磁率 矫顽力等磁学性能 导磁率 矫顽力等 强度强度 屈服强度屈服强度 s 抗拉强度 抗拉强度 b 断裂强度 断裂强度 f 弹性弹性 弹性极限弹性极限 p 弹性模量 弹性模量E等等 塑性塑性 截面收缩率截面收缩率 延伸率 延伸率 应变硬化指数 应变硬化指数n 韧性韧性 冲击韧性冲击韧性Ak 断裂韧性 断裂韧性KIC 抗氧化性抗氧化性 耐腐蚀性耐腐蚀性 抗渗入性抗渗入性 复合性能 简单性能 复合性能 简单性能 i 的组合 高温疲劳强度 腐蚀疲 的组合 高温疲劳强度 腐蚀疲 劳强度劳强度 工艺性能 铸造性 可锻性 可焊性 切削性工艺性能 铸造性 可锻性 可焊性 切削性 使用性能 抗弹性 耐磨性 乐器悦耳性 刀刃锋锐使用性能 抗弹性 耐磨性 乐器悦耳性 刀刃锋锐性 复杂性能复杂性能 j 简单性能简单性能 i 物理性能物理性能 力学性能力学性能 化学性能化学性能 肖纪美 材料学的方法论肖纪美 材料学的方法论 性能性能 使用性能 效能 使用性能 效能 properties performance 32 33 两种或两种以上的原子两种或两种以上的原子 分子或化合物组成的材料分子或化合物组成的材料 通过键合而成 离子键通过键合而成 离子键 共价键共价键 金属键金属键 范德华键范德华键 氢键氢键 通过某种方法制备而成 物理通过某种方法制备而成 物理 化学化学 冶金冶金 金属合金 金属合金 不同金属元素或金属不同金属元素或金属 非金属元素组成非金属元素组成 陶瓷合金 陶瓷合金 不同离子化合物不同离子化合物 共价化合物组成共价化合物组成 高分子合金 高分子合金 不同高分子链组成不同高分子链组成 共聚物或共混物共聚物或共混物 合金 合金 Alloy 基本概念 定义 基本概念 定义 33 The components of a system or a phase are elements or chemical compounds that make up the system 在一个给定的在一个给定的合金合金系统中系统中 构成构成合金合金系统或相的系统或相的基本组成基本组成 每一个可每一个可 以单独分离出来以单独分离出来 并能独立存在的化学纯物质并能独立存在的化学纯物质 即即各种各种化学元素或化化学元素或化 合物合物 化学元素 化学元素 Cu Ni Fe等等 化合物 化合物 Al2O3 MgO Na2O SiO2等等 按组元数目将合金系统按组元数目将合金系统 材料材料 分为 一元系分为 一元系 二元系二元系 三元三元 系系 二元陶瓷合金 二元陶瓷合金 ZrO2 CeO2 三元金属合金 三元金属合金 Fe Ni C 基本概念 定义 基本概念 定义 组元 组元 Component 34 35 摩尔分数摩尔分数 Molar fraction 1 i X 质量分数质量分数 Quality fraction 原子分数原子分数 Atom fraction i i i n n X 0 0 i iii i i ii i w NnNM at w NnN M 0 0 i i iii i i iii i at M mNatM w at matM M N 原子量 The composition of a system or a phase can be described by giving the relative amounts of each component 组成材料的元素种类组成材料的元素种类及其及其相对数量相对数量 基本概念 定义 基本概念 定义 化学成分 化学成分 Chemical Composition 35 36 A phase can be defined as a portion of the system whose properties and composition are homogeneous and which is physically distinct from other parts of the system Porter and Easterling in Phase Transformations in Metals and Alloys 1981 系统内物理性质均匀的部分系统内物理性质均匀的部分 且与其它部分之间有分界面且与其它部分之间有分界面 隔开隔开 师昌绪师昌绪 材料大辞典材料大辞典 基本概念 定义 基本概念 定义 相 相 phase 按相的数目将系统 材料 分为 按相的数目将系统 材料 分为 单相系统或材料单相系统或材料 均匀 均匀 homogeneous system 复相系统或材料 非均匀系统 复相系统或材料 非均匀系统 heterogeneous system 36 Gas liquid Liquid solid Solid solid Gas solid Micro structure Chemical composition Physical prop
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