fatiga1 sistemas mec

Dra. Jasmina Casals Fallas por fatiga resultantes de carga variable

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Universitat Politcnica de CatalunyaDepartament Enginyeria Mecnica


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2

61Introduccinalafatigaenmetales62Enfoquedelafallaporfatigaenelanlisisyeldiseo63Mtodosdelafatigavida64Mtodosdelesfuerzovida65Mtododeladeformacinvida66Mtodomecnicodelafracturalinealelstica67Lmitederesistenciaalafatiga68Resistenciaalafatiga69Factoresquemodificanellmitederesistenciaalafatiga610Concentracindelesfuerzoysensibilidadalamuesca611Caracterizacindeesfuerzosfluctuantes612Criteriosdelafallaporfatigaanteesfuerzosvariables613Resistenciaalafatigaportorsinbajoesfuerzosfluctuantes614Comginacionesdemodosdecarga615Esfuerzosvariablesyfluctuantes;daoporfatigaacumulada616Resistenciaalafatigasuperficial617Anlisisestocstico


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61Introduccinalafatigaenmetales62Enfoquedelafallaporfatigaenelanlisisyeldiseo63Mtodosdelafatigavida64Mtodosdelesfuerzovida


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Boeing 787 conducts fatigue testing

http://www.youtube.com/watch?v=8zDKkt5v-4A&feature=related

Air Crash Investigatoion | Special Report | Ripped Apart | Part 2


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Inicio GrietaPunto de momento de flexinmximo, prximo a eje y en elpunto donde se generan esfuerzosa tensin.

Progreso Grieta lentamente atravs del pedal (rea oscura) hastaque la parte que permanece esincapaz de soportar el momentoflector generado por la fuerza delpie en el eje. FracturaEsta grieta a fatiga tard un tiempoconsiderable a formarse a partir deuna marca de mecanizado. Aunqueuna vez iniciada la propagacinfue rpida y se aceler como sepuede ver en el espaciado de lamarcas tipo playa en la superficiecausadas debido al avance de lagrieta.


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Iniciodelagrieta Lafatigaempiezasiempreenungrieta Lagrietapuedeempezarenunpunto

microscopico(


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Fallo por fatiga en un perno debida a la flexin unidireccional repetida.


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Fallo por fatiga de un eje de transmisin AISI 4320. La falla se inici en el extremo del cuero en los puntos B y progreso hasta C


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Fallo por fatiga de un pasador AISI 8640. Las esquinas agudas del orificio para grasa daado proporcionaron concentraciones del esfuerzo que iniaciaron dos grietas por fatiga.


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Noteelpronunciadofilocortantedelafracturafinaldelborederecho.(FromASMHandbook,Vol.12:Fractography,ASMInternational,MaterialsPark,OH440730002,fig523,p.332.ReprintedbypermissionofASMInternational,www.asminternational.org.)

SuperficiedefracturaporfatigadeunabielaforjadadeaceroAISI8640.Elorigendelagrietaporfatigaestenelbordeizquierdo,enlalneainstantneadelforjado,peronoseindicrugosidadinusualenelmarcoinstantneo.Lagrietaporfatigaavanzlamitaddelacircunferenciaalrededordelorificiodeaceiteubicadoalaizquierda,queseindicaporlasmarcasdeplaya,antesdequeocurieralafracturarpidafinal.


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Fallo por fatiga de una ruedacon doble patn de aceroASTM A186., causada pormarcas de estampado. A)Rueda de carro de carro deun horno de coque donde semuestran las marcas deestampado y las fractura enla costilla y el alma.


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b) Marca de estampado que muestra impresiones fuertes y la fracturaque se extiende a lo largo de la base inferior del rengln con nmeros.(De ASM Handbook Vol. 11)


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b) Superfcie de fracturadonde las flechas indicanmltiples orgenes degrieta.

De ASM Handbook vol 11.Failures Analysis andPrevention ASMInternational.


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Hastaahora hemos estudiado Fallo esttico deelementos demquina Elsegundo mayortipo defallo enelementos demquinas seproducepor CARGAS

DINMICAS: Esfuerzos repetidos Esfuerzos alternantes (+) Esfuerzos fluctuantes (++)

Laresistencia ltima deuna material(Su)es elesfuerzo maximo que unmaterialpuede aguantar antesderomperasumiendo que lacarga seaplica solouna vez ysemantiene.

Resistenciaafatiga Resistenciadeuna materialafallar bajo una carga cclica. Unmaterialtambin puede FALLAR si secarga deformarepetida aunnivel de

esfuerzo (estrs)menor que (Su) Fallo por fatiga


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Mtodosdelafatigavida Resistenciaafatigaylmitederesistenciaalafatiga. Factoresquemodificanellmitederesistenciaalafatiga Concentracindelesfuerzoysensibilidadalamuesca Caracterizacindeesfuerzosfluctuantes Combinacindemodosdecarga Esfuerzosvariablesyfluctuantes;daoporfatiga


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Lostres mtodosmsimportantesdefatigavidaqueseusaneneldiseoyanlisisparalaestimacindelNmerodecicloshastalafallason:1.Mtodoesfuerzovida(SNCurves)2.Mtododeformacinvida(NCurve)3.Mtododemecnicadelafracturalinealelstica

Losmtodosantesmencionadoselnmerodecicloshastalafalla,N,paraunnivelespecificodecarga:1.Bajosciclos:2.Altosciclos

31 10 cyclesN 310 cyclesN


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1. Mtodoesfuerzovida Sebasaennivelesdeesfuerzo Eselmenosexacto,especialmenteparaaplicacionesdebajociclaje Mtodomstradicional:

Msfacildeimplementarparaunaampliavariedaddeaplicacionesdediseo

Grancantidaddedatosdesoporte Representademaneraadecuadalasaplicacionesdealtociclaje


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2. Mtododeformacinvida Implicaunanlisismsdetalladodeladeformacinplsticaenregioneslocalizadas

dondeelestresyladeformacinsonconsideradosestimadoresdelosciclosdevida.

Buenoparaapliacionesdebajociclado Existenciertasincertidumbresenelresultado


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3. MtodomecnicodelafracturalinealelsticaAssumequeunagrietayaestpresenteysehadetectadoPrediceelcrecimientodelagrietaconrespectoalaintensidaddelestres.Elmspracticocuandoseaplicaagrandesestructurasjuntoconcodigosinformaticosyunplandeinspeccinperidica.


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Para determinar el esfuerzo que aguanta un material bajo la accin de cargas de fatiga, las probetasse someten a cargas repetidas o variables de una magnitud especificada mientras se cuentan losciclos o cambios de valor del esfuerzo hasta la destruccin. El dispositivo ms utilizado es R. R.Moore highspeed rotatingbeam machine. La probeta, mostrada en laFig.69, se ha mecanizado cuidadosamente y pulido, con un pulido final en la direccin axial paraevitar marcas circunferenciales.

Figure69Geometra de la muestra de ensayopara la mquina de viga rotativa R.R. Moore. El momento flector esuniforme en la parte curva, en laporcin de esfuerzo mayor, en unensayo vlido del material;mientras que una fractura en otraparte (no al nivel del mayoresfuerzo) es la base para sospecharque existe un defecto del material.


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MquinadeVigaRotativaRRMoore.


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MquinadeVigaRotativaRRMoore.


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Estos sonesencialmente losdostipos defatiga:1. Fatiga aciclos altos_High CycleFatigue(HCF)(Def.elastica)2. Fatiga aciclos bajos LowCycleFatigue(LCF)(Def.Plastica)

Escala SemiLog

Laresistencia alafatigaSf es elnivel deesfuerzoalcual elmaterialaguanta N ciclos.

TheendurancelimitisobservedasahorizontallineontheSNcurve.

Elniveldeesfuerzoalqueaquelmaterialpuededurarinfinitosciclossellamalmitederesistenciaolmitedefatiga.

Lmitederesistenciaalafatiga(Se):Esfuerzomximoalcualelmaterialdurarsinfallarunnmeroinfinitodeciclosdecarga.


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Figure711SNbandsforrepresentativealuminumalloys,excludingwroughtalloyswithSut


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CurvasSNparapolmerosResaltarquelosmaterialesnofrricosnormalmentenopresentalmitederesistenciaSe

CH-7 LEC 20 Slide33


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67Lmitederesistenciaalafatiga68Resistenciaalafatiga69Factoresquemodificanellmitederesistenciaalafatiga


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Senecesitaunmtodorpidoparaestimarellmitederesistenciaalafatiga:Paraeldiseopreliminarydeprototiposparaelanlisisdefalla

67Lmitederesistenciaalafatiga

Los resultados experimentalesPara probetas con el test- viga rotativaProbetas sometidas a tensin simple

Se muestran en la figura que se ver a continuacin


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Figure718Graphofendurancelimitsversustensilestrengthsfromactualtestresultsforalargenumberofwroughtironsandsteels.RatiosofSe/Sut of0.60,0.50,and0.40areshownbythesolidanddashedlines.NotealsothehorizontaldashedlineforofSe=107kpsi.Pointsshownhavingatensilestrengthgreaterthan214kpsihaveameanendurancelimitofSe=107kpsiandastandarddeviationof13.5kpsi.


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Paralosaceros,larelacinentrelatensinltimayellmitederesistenciaalafatigavienedadapor:

(78)

Donde:

Suteslaresistenciaalatensinmnima.Elsmbolodeprimaenenestaecuacinserefierealapropiamuestradevigarotativa Sedeseareservarelsimbolosinprimaparaellmitederesistenciadeunelementodemquinaparticularsujetoacualquiertipodecarga.

'eS

eS


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EnlaTablaA24delShigleysemuestranloslmitesderesistenciaalafatigadediversasclasesdefundiciones,acerospulidosymecanizados.Lasaleacionesdealuminionotienenlmitederesistenciaalafatiga,enlaTablaA24semuestranlosesfuerzosalternantesqueaguantarianhasta5(108 ) ciclos.


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68Resistenciaalafatiga Regin de bajos ciclos de fatiga:

El esfuerzo de fatiga es ligeramente inferior a la resistencia a la

tensin .

Regin de altos ciclos de fatiga:El propsito de esta seccin es desarrollar mtodos de aproximacin del

diagrama S-N en la regin de altos ciclos, cuando la informacin sea tan

escasa como los resultados de un ensayo a la tensin simple. La

experiencia ha mostrado que los datos de fatiga de altos ciclos se

rectifican por medio de una transformacin logartmica del esfuerzo y

los ciclos a la falla.

fSutS


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68ResistenciaalafatigaEnlaregindealtosciclosdefatiga,laecuacinquerelacionaelesfuerzoafatigaconelnmerodeciclosalquefallapuedevenirdadoporlarelacinemprica:

dondeeselnumerodeciclosalquefallaya yb secalculanapartirde:

fSN

(712)N

(713)

(714)

Ysehalla enlafigura siguiente.f

((


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(715)


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CH-07 LEC-21 Slide -44

( (


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( (


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EjemploDadounacero1050roladoencaliente,estimea) Ellmitederesistenciaalafatigaconvigarotativaalos106ciclos.b) Laresistenciaalafatigaparaunaprobetapulidaconvigarotativacorrespondientea104 ciclosdefalla.c) Lavidaesperadadeunavigarotativapulidabajounesfuerzocompletamenteinvertidode55kpsi.

Solucin:

a) DelaTablaA20,Delaecuacin(78)

b) DelaFig.(719)para

90 kpsiutS ' 0.5 90 45kpsieS 90 0.86kpsi, utS f


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Ejemplo(Cont.d)

De laEq.(713)

y(714)==

EntoncesEq.(712)es:paraciclosdefalla,laecuacinanteriorseconvierteen:410N

((


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Ejemplo(Cont.d)c) DelaEq.(715),con

Teeniendo enmente que esto sonsoloestimaciones.

55kpsia


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Factoresquemodificanellmitederesistenciaalafatiga

Elensayoenmquinarotativaenellaboratoioparadeterminarloslmitesderesistenciaalafatigasepreparaconmuchocuidadoyseensayabajocondicionesmuycontroladas.NOesposibleesperarqueellmitederesistenciaalafatigadeunelementomecnicoigualelosvaloresqueseobtuvieronenellaboratio.Algunasdiferenciasincluyen:Material:composicin,basedefalla,variabilidadManufatura:mtodo,tratamientotrmico,corrosinsuperficial,acabadosuperficial,concentracindeesfuerzoEntorno:corrosin,temperatura,estadodeesfuerzo,tiemposderelajacinDiseo:tamao,forma,vida,estadodeesfuerzos


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EcuacindeMarin

(717)

Marinidentificfactoresquecuantificabanelefectodelacondicindelasuperficie,eltamao,lacarga,latemperatura,yotrospuntos.Porlotanto,laecuacindeMarinseescribe:

Lmitederesistenciaalafatigaenlaubicacincrticadeunapartedemquinaenlageomteraycondicindeuso

Lmitederesistenciaalafatigaenvigarotatoria

:eS

' :eS


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Cuandonosedisponedeensayosderesistenciaalafatigadepartes,lasestimacionssehacenaplicandolosfactoresdeMarinallmitederesistenciaalafatiga.

Ka= Factor de superficieKb= Factor de modificacin del tamaoKc= Factor de modificacin de la cargaKd= Factor de modificacin de la temperaturaKe= factor de confiabilidadKf= Factor de modificacin de efectos varios


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dondeeslaresistenciamnimaalatensinyysepuedenencontrarenlaTabla74.

(718)

utS a b

Table74Parametros deMarinpara elfactordesuperificie,Eq.(718)

Factor de Superficie

EsmeriladoMecanizado/laminadoenfroLaminadoencalienteForjado


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Elfactordetamaoparaflexinytorsin:

(719)

bk

Paracarga axial:

(720)

Factor de tamaoSegons la versi de Shigley -0.107 passa -0.1133


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Pregunta:

Quehacemosconlaec.(719)siunabarraredondaenflexinnoestgirandoornotieneunaseccincircular?

(723)

Respuesta:

Utilizaladimesinefectivadondeed

Queseobtienedeigualarelvolumendematerialsometidoaesfuerzoigualosuperiora95%delesfuerzomximoconelmismovolumenenlamuestradevigarotativa.Pertabla63deSighley.

Factor de tamao


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Tabla 63AreasA95deperfilesestructurales norotativos


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(725)

Factor de carga, kc

FlexinAxialtorsin

Segn el Prof. Pedrero Moya la modificaci n para carga axial es del 0.923

A torsin pura

de totes maneres en comptes de fer la comparaci directa treballarem sempre amb tensions equivalents ja que aix noms seria correcte per Von Misses.


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3 5 2

8 3 12 4

0.975 0.432 10 0.115 10

0.104 10 0.595 10

F F

F F

kd T T

T T

(726)

donde 70 1000FT F

Factor de Temperatura, kd

Cuando se toma en cuenta la T surgen dos tipos de problemas. Si se conoce el lmite de l a resistencia a la fatiga de una viga rotativa a Temperatura ambiente, entonces se emplea Kc= St/Srt de la tabla que se muestra a continuacin

Si no se conoce el lmite de resistencia a la fatiga de una viga rotativa, entonces se calcula mediante la eq. 7-8 y se utilizar la resist. ltima a T corregida que se obtiene mediante el factor de la tabla siguiente. Entonces use Kd=1.


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Tabla76EfectodelaToperacinenlaresistenciaalatensindelaceroSt=Resist.AlaToperacinSrt=aTambiente

(727)Factor de Temperatura, kd


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si laconfiabilidad nosemenciona Sinoutilizar lasiguiente tabla

Tabla77Factoresdeconfiabilidadcorrespondientesa8desviacionesstandardporcentualesdellmitederesistenciaalafatiga

Factor de confiabilidad, ke


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Esfuerzosresiduales Caracteristicasdireccionales (e.g.laminacin/estirado) Corrosion Recubrimientoselectrolticos Metalizadoporaspersin Frecuenciacclica Corrosinporrozamiento

Factor de efectos varios


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710Concentracindelesfuerzoysensibilidadalamuesca

Laexistenciadeirregularidadesodiscontinuidad,comoorificios,ranurasincrementademanerasignificativalosesfuerzostericosenlavecindadinmediatadeladiscontinuidad.Laec.448defineelesfuerzoreal

(448)


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(Materiales Frgiles)


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Enfatiga losconcentradores detensiones siempre han detenerse encuenta



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Algunos materiales nosoncompletamente sensibles alapresencia demuescas,ypor lotanto,para ellos puede usarse unvalorreducido deKt:

(729)

Kf sellamafactordeconcentracindelesfuerzoporfatiga

or



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Indice desensibilidad alamuesca sedefinecomo:

(739)

q paraacerosyaleacionesdeAlestanenlaFig.720paraflexininversaocargasaxialesinversasyparatorsininversaenlaFig.7.21.

Parafundicinutilizarq =0.20paraserconservador



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Figurea720yFigura 721:Curvas desensibilidad ala entallapara aceros yaleaciones deAl

710Curva sensibilidad FLEXINYAXIAL


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710Curva sensibilidad TORSIN INVERSIN


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Kf se utiliza normalmente en calculos afatiga pero tambin en esfuerzos estaticos.Es conveniente pensar en Kf como un factorde concentracin de esfuerzos reducido apartir de Kt porque disminuye la sensibilidadla entalla.Si no existe informacin sobre lasensibilidad a la entalla es conservadorutilizar Kt en los calculos a fatiga.



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Clculos a vida infinitaMateriales Dctiles (REDUCTOR LmiteFatiga)

=0Se =Se *(ka kb kc kd ke) / kf

Materiales Frgiles (Considerar efecto entodo el intrvalo 1-106 ciclos)

=kfK factores varios=1



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Si solo existe un tipo de carga, se aplica Kf enfuncin del tipo de material y se calcula el tiempo devida con la tensin que corresponda ( dctil sinafectar, frgil con Kf).

710ConcentracindelesfuerzoysensibilidadalamuescaClculonmerodeciclos


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Si hay carga combinada:*No es posible corregir el lmite de fatiga ya que los factores deMarin son diferentes para cada tipo de carga.Se podra si resultasen iguales (NO concentrador de esfuerzo nicarga axial)

Materiales dctil (acero aleado normal)Se calculan tensiones ficticias ficticia =kf0 (solo alternante medias no)/(ka kb kc kd ke)

Se calcula Tensin equivalente (Tresca)Se calcula factor de seguridad

Si >1 vida infinitaSi


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Diseohttp://deseng.ryerson.ca/DesignScience/http://www3.ibm.com/ibm/easy/eou_ext.nsf/Publish/6 Recursoshttp://www.machinedesign.com/ASP/enggMechanical.asp?catId=373http://www.engineersedge.com/http://www.bearings.machinedesign.com/guiEdits/Content/BDE_6_4/bdemec

h_a02.aspxhttp://icrank.com/cgibin/pageman/pageout.cgi?path=/index_html.html Fabricacinhttp://www.efunda.com/processes/processes_home/process.cfmhttp://www.me.gatech.edu/jonathan.colton/me4210/mfgvideos.html

Referencias

fatiga1 sistemas mec

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