Nel mondo dei materiali ad alte prestazioni, pochi metalli detengono il prestigio dell'acciaio legato SAE AISI 4340. Rinomata per la sua eccezionale resistenza e tenacità, questa versatile lega è un punto fermo nei settori in cui l'affidabilità è fondamentale, come quello aerospaziale e automobilistico. Grazie alla sua intricata miscela di elementi, la composizione chimica dell'acciaio UNS G43400 conferisce all'acciaio 4340 proprietà uniche che lo rendono indispensabile per le applicazioni critiche. Ma cosa conferisce esattamente a questa lega le sue notevoli caratteristiche e come fa a resistere alle rigorose esigenze dell'ingegneria moderna? In questo approfondimento tecnico, sveliamo le complessità dell'acciaio 4340, esplorando la sua composizione, le sue proprietà meccaniche e i diversi utilizzi che lo mantengono all'avanguardia nella scienza dei materiali. Scoprite con noi l'affascinante mondo di questa lega e i segreti del suo successo duraturo.
L'acciaio legato SAE AISI 4340, noto con il numero UNS G43400, è un acciaio a medio tenore di carbonio e basso tenore di leghe celebrato per la sua eccezionale forza, tenacità e resistenza alla fatica. Questa combinazione di proprietà lo rende ideale per le applicazioni ad alta sollecitazione, in particolare nell'industria aerospaziale e automobilistica, dove l'affidabilità è fondamentale.
L'acciaio AISI 4340 è molto apprezzato per la sua straordinaria resistenza e versatilità. Mantiene le sue proprietà meccaniche in condizioni estreme, rendendolo adatto a componenti strutturali critici. L'elevata resistenza alla trazione e la tenacità sono ottenute grazie a precisi processi di lega e trattamento termico, che ne migliorano le prestazioni in ambienti difficili.
Un altro fattore cruciale che contribuisce alla sua diffusione è la resistenza alla fatica. I componenti realizzati con questa lega sono in grado di sopportare carichi ciclici per periodi prolungati senza subire degradazioni significative, un aspetto essenziale per le parti sottoposte a sollecitazioni ripetitive, come i carrelli di atterraggio degli aerei e gli alberi a gomito delle automobili.
L'AISI 4340 è noto per la sua eccellente temprabilità, che consente all'acciaio di essere temprato in profondità e in modo uniforme, anche in sezioni spesse. Questa proprietà è fondamentale per le applicazioni che richiedono prestazioni meccaniche costanti in tutto il materiale. La capacità dell'acciaio di raggiungere elevati livelli di durezza pur mantenendo la tenacità è un vantaggio fondamentale nelle applicazioni ad alta resistenza.
La composizione dell'acciaio AISI 4340 comprende cromo, nichel e molibdeno come elementi di lega principali. Il cromo aumenta la temprabilità e la resistenza alla corrosione, il nichel aggiunge forza e tenacità e il molibdeno migliora la temprabilità e le prestazioni ad alta temperatura. Questi elementi sono accuratamente bilanciati per fornire le proprietà meccaniche desiderate.
Nell'industria aerospaziale, l'acciaio AISI 4340 è utilizzato per parti cruciali come i carrelli di atterraggio, dove la durata e la resistenza alla fatica sono fondamentali. La capacità della lega di funzionare in modo affidabile in condizioni estreme la rende una scelta privilegiata per queste applicazioni impegnative.
L'industria automobilistica utilizza l'acciaio AISI 4340 per componenti come gli alberi motore e gli assali, che richiedono elevata resistenza e durata. Le eccellenti proprietà meccaniche dell'acciaio garantiscono la longevità e l'affidabilità di questi componenti, anche in condizioni operative difficili.
L'acciaio AISI 4340 viene utilizzato anche nella produzione di parti di macchinari pesanti, dove la sua forza e resistenza all'usura e alla fatica sono fondamentali. Componenti come ingranaggi e alberi beneficiano delle caratteristiche di robustezza della lega.
L'acciaio legato SAE/AISI 4340 è rinomato per la sua elevata resistenza e tenacità, grazie alla sua composizione chimica accuratamente bilanciata. La lega è composta da diversi elementi chiave che contribuiscono alle sue notevoli proprietà meccaniche.
Il carbonio è un elemento fondamentale, presente da 0,37% a 0,43%, che fornisce un equilibrio tra resistenza e duttilità. Il manganese, presente in quantità comprese tra 0,60% e 0,80%, aumenta la forza dell'acciaio, la resistenza all'usura e aiuta a rimuovere l'ossigeno durante la produzione. Il silicio, presente in quantità comprese tra 0,15% e 0,30%, agisce come disossidante e aumenta la tenacità e la durezza complessiva dell'acciaio.
Il fosforo e lo zolfo sono impurità mantenute al minimo, con livelli massimi di 0,035% e 0,040%, per preservare la tenacità e la duttilità dell'acciaio. Il cromo, che varia da 0,70% a 0,90%, aumenta significativamente la temprabilità e la resistenza all'usura, migliorando anche la resistenza alla corrosione.
Il nichel, presente da 1,65% a 2,00%, è fondamentale per migliorare la tenacità, la forza e la resistenza agli urti e alla fatica, rendendo l'acciaio 4340 ideale per le applicazioni più impegnative. Il molibdeno, presente da 0,20% a 0,30%, migliora la temprabilità e la resistenza alle alte temperature, riducendo al contempo la fragilità da tempra.
L'equilibrio preciso di questi elementi assicura che l'acciaio 4340 possa essere temprato in modo profondo e uniforme, fornendo proprietà meccaniche costanti in tutto il materiale. La designazione UNS G43400 assicura che l'acciaio 4340 soddisfi requisiti standardizzati, garantendo la sua affidabilità per ingegneri e produttori di vari settori.
L'acciaio SAE/AISI 4340 è un acciaio a medio tenore di carbonio e a bassa lega, rinomato per le sue eccezionali proprietà meccaniche, che lo rendono ideale per le applicazioni che richiedono elevata resistenza, tenacità e resistenza all'usura. Le prestazioni di questo acciaio sono ampiamente influenzate dalla sua composizione chimica e dai processi di trattamento termico.
La resistenza alla trazione dell'acciaio 4340 varia in modo significativo a seconda del trattamento. Allo stato ricotto, l'acciaio presenta in genere un carico di rottura di circa 745 MPa (108.000 psi). Se sottoposto a un trattamento termico appropriato, come la tempra e il rinvenimento, la resistenza alla trazione può variare da 930 a 1080 MPa. Il carico di snervamento, che indica la tensione alla quale il materiale inizia a deformarsi plasticamente, è di circa 470 MPa (68.200 psi) allo stato ricotto e aumenta a circa 710 MPa (103.000 psi) dopo il trattamento termico.
La duttilità, ovvero la capacità di deformarsi sotto sforzo prima di rompersi, si misura con l'allungamento a rottura. Per l'acciaio 4340, questo valore si aggira in genere intorno a 13,2%. La durezza dell'acciaio, ovvero la resistenza alla deformazione e all'usura, è di circa 35 HRC quando viene trattato termicamente. Altri parametri di durezza includono la durezza Brinell a 321, la durezza Knoop a 348 e la durezza Vickers a 339, che riflettono la capacità del materiale di resistere alla deformazione e all'usura, rendendolo adatto a parti che incontrano condizioni abrasive.
La tenacità all'impatto è fondamentale per le applicazioni sottoposte a carichi dinamici o d'urto. La riduzione dell'area, una misura di quanto il materiale può allungarsi prima di rompersi, è di circa 36%. Questa proprietà garantisce che il materiale possa resistere alle sollecitazioni senza subire guasti catastrofici.
Le proprietà meccaniche dell'acciaio 4340 sono notevolmente migliorate da elementi di lega come nichel, cromo e molibdeno. Il nichel aumenta la tenacità e la resistenza, il cromo migliora la temprabilità e la resistenza alla corrosione, mentre il molibdeno aggiunge forza e temprabilità, soprattutto alle alte temperature.
La lavorabilità e la formabilità dell'acciaio 4340 sono considerazioni importanti per i produttori. Il materiale può essere lavorato efficacemente in condizioni di ricottura o di normalizzazione e tempra. Tuttavia, quando la resistenza dell'acciaio aumenta, la sua lavorabilità diminuisce, rendendo necessarie tecniche e utensili speciali.
Nelle operazioni di formatura, l'acciaio 4340 può essere piegato o modellato quando è ricotto, grazie alla sua duttilità. Questa flessibilità nei processi produttivi lo rende un materiale preferito per una varietà di componenti, tra gli altri, nell'industria aerospaziale e automobilistica.
L'acciaio legato SAE AISI 4340 è molto apprezzato per le sue eccezionali proprietà meccaniche, che lo rendono ideale per le applicazioni più impegnative in diversi settori industriali.
Nel settore aerospaziale, l'acciaio AISI 4340 è ampiamente utilizzato per componenti strutturali critici che richiedono elevata resistenza e tenacità. Le applicazioni principali includono:
L'industria automobilistica si affida all'acciaio AISI 4340 per i componenti che richiedono un equilibrio tra forza, tenacità e resistenza all'usura. Grazie alla sua resistenza all'usura e all'elevata forza, l'acciaio 4340 è adatto per ingranaggi di trasmissione, alberi e alberi a gomito che operano con carichi elevati. Inoltre, viene utilizzato per assali e alberi di trasmissione, che richiedono un'elevata resistenza e tenacità per garantire prestazioni affidabili e longevità in condizioni di guida difficili.
Nel settore dei macchinari pesanti, l'acciaio AISI 4340 viene utilizzato per la produzione di parti che devono sopportare notevoli sollecitazioni meccaniche e usura. La sua durezza e la sua resistenza all'usura assicurano che gli ingranaggi e gli alberi funzionino in modo affidabile in condizioni difficili. La lega è utilizzata nella produzione di vari componenti di macchine utensili, come mandrini e portautensili, dove l'alta resistenza e la precisione sono fondamentali. La tenacità e la durata dell'AISI 4340 sono preziose per i componenti delle macchine da costruzione, come i bracci degli escavatori e le pale dei bulldozer.
Il settore energetico, in particolare l'industria petrolifera e del gas, beneficia delle proprietà dell'acciaio AISI 4340 in diverse applicazioni. La sua forza e la sua resistenza alla fatica lo rendono perfetto per i collari di perforazione e le giunzioni degli utensili che devono affrontare le sollecitazioni meccaniche nelle operazioni di perforazione. L'AISI 4340 è utilizzato anche per gli alberi delle pompe e i componenti delle valvole, che devono sopportare pressioni elevate e usura, garantendo prestazioni affidabili e longevità.
La forgiatura è un metodo chiave per modellare l'acciaio legato AISI 4340, utilizzando calore e pressione elevati per aumentarne la resistenza e la tenacità. Questa tecnica migliora le proprietà meccaniche dell'acciaio affinandone la struttura dei grani. Il processo prevede il riscaldamento dell'acciaio a una temperatura specifica e la sua deformazione con martelli o presse per ottenere la forma desiderata. Dopo la forgiatura, l'acciaio viene spesso sottoposto a un trattamento termico per ottimizzarne ulteriormente le proprietà.
Il trattamento termico è fondamentale per ottenere le proprietà meccaniche desiderate dell'acciaio legato AISI 4340. I metodi più comuni includono:
Queste tecniche migliorano significativamente la resistenza alla trazione, la duttilità e la resistenza agli urti dell'acciaio, rendendolo adatto ad applicazioni ad alta sollecitazione.
L'acciaio legato AISI 4340 può essere facilmente lavorato, soprattutto se ricotto, attraverso processi come la tornitura e la fresatura. Anche tecniche di lavorazione come la foratura e la rettifica sono efficaci. Poiché la durezza dell'acciaio aumenta a causa del trattamento termico, possono essere necessari utensili e metodi specializzati per mantenere la precisione. La duttilità dell'acciaio consente una facile formatura e sagomatura, garantendo la produzione accurata di componenti complessi.
La forza intrinseca e la resistenza alla fatica dell'acciaio legato AISI 4340 contribuiscono alla sua durata, riducendo la necessità di sostituzioni. Questo riduce al minimo gli sprechi e il consumo di risorse, favorendo le pratiche sostenibili e prolungando la durata dei componenti.
Materiali ad alte prestazioni come l'acciaio legato AISI 4340 migliorano l'efficienza energetica in varie applicazioni. I componenti realizzati con questo acciaio possono essere più leggeri ma più resistenti, riducendo il peso complessivo dei sistemi e migliorando l'efficienza operativa. Ad esempio, nell'industria aerospaziale e automobilistica, i componenti più leggeri migliorano l'efficienza del carburante e riducono le emissioni.
L'acciaio, compreso l'AISI 4340, è riciclabile e supporta le pratiche sostenibili conservando le risorse e riducendo l'impatto ambientale. Al termine del loro ciclo di vita, i componenti realizzati in acciaio 4340 possono essere riciclati e riutilizzati, riducendo la necessità di estrazione e lavorazione delle materie prime. L'elevata riciclabilità dell'acciaio sottolinea il suo ruolo nelle pratiche di produzione sostenibile.
Le norme SAE e AISI svolgono un ruolo cruciale nella standardizzazione delle specifiche delle leghe di acciaio come l'AISI 4340, garantendo qualità e prestazioni uniformi. Questi standard forniscono linee guida dettagliate sulla composizione chimica, sulle proprietà meccaniche e sui requisiti di lavorazione, facilitando la scelta del materiale più adatto alle proprie esigenze da parte di ingegneri e produttori.
Gli standard SAE per gli acciai legati come l'AISI 4340 sono delineati in documenti come SAE J404 e SAE AMS 6414. La norma SAE J404 specifica i limiti di composizione chimica degli acciai legati, assicurando che gli elementi rientrino in intervalli specifici per ottenere proprietà ottimali. La norma SAE AMS 6414 copre i requisiti per gli acciai basso-legati di qualità aeronautica in varie forme, tra cui barre e forgiati, con linee guida per il trattamento termico per ottenere la resistenza e la tenacità desiderate.
Gli standard AISI per l'acciaio 4340 forniscono linee guida complete sulla composizione e sulle proprietà della lega. La conformità a questi standard garantisce la coerenza tra i diversi lotti, facilitando prestazioni affidabili in applicazioni critiche.
In Europa e in Giappone, l'AISI 4340 è conosciuto rispettivamente come 34CrNiMo6 e SNCM439. Le norme europee, come la EN 10083-3, e quelle britanniche, come la BS 970, forniscono linee guida simili sulla composizione chimica e sulle proprietà meccaniche, garantendo che l'acciaio 4340 possa essere utilizzato in modo intercambiabile con gli equivalenti locali. Gli standard giapponesi JIS G4103 specificano i requisiti dell'SNCM439, rispondendo alle esigenze di alta resistenza del mercato giapponese.
Industrie come quella aerospaziale si affidano all'AISI 4340 per componenti come i carrelli di atterraggio, dove l'alta resistenza è fondamentale. Diversi standard industriali assicurano che il materiale soddisfi requisiti specifici di prestazioni e affidabilità in applicazioni impegnative.
Gli standard ASTM come A29 e A322 offrono linee guida per la produzione e il controllo di qualità dell'acciaio 4340, garantendone l'idoneità per le applicazioni ad alta resistenza. La norma ASTM A29 copre i requisiti generali per le barre di acciaio legato battute a caldo, mentre la norma ASTM A322 specifica i requisiti per le barre di acciaio utilizzate in varie applicazioni, confermando che l'acciaio 4340 è adatto per componenti ad alta resistenza.
L'acciaio legato SAE AISI 4340 è rinomato tra gli acciai a medio tenore di carbonio per le sue eccezionali proprietà meccaniche e la sua composizione equilibrata. Se si confronta il 4340 con altre leghe di acciaio come il 4330, il 4140 e il 300M, emergono distinzioni fondamentali che rispondono a diverse esigenze di progettazione.
La composizione chimica di queste leghe influenza in modo significativo le prestazioni meccaniche e l'idoneità per applicazioni specifiche. La SAE 4340 contiene un contenuto di nichel più elevato (1,65-2,00%) rispetto alla 4330, che ha circa 1%. Questa differenza aumenta la temprabilità e la tenacità del 4340, rendendolo più adatto ad applicazioni ad alta sollecitazione in cui la resistenza alla frattura è fondamentale. A differenza del 4340, il 4140 è privo di nichel e utilizza invece cromo e molibdeno per fornire una moderata forza e resistenza all'usura. Il 300M, invece, è arricchito con silicio e vanadio, che migliorano la resistenza al rinvenimento e l'affinamento dei grani, rendendolo ideale per le applicazioni aerospaziali che richiedono un'altissima resistenza.
Le proprietà meccaniche di queste leghe ne definiscono i potenziali impieghi, con la SAE 4340 che offre un versatile equilibrio di forza, tenacità e resistenza alla fatica.
Di seguito sono riportate le risposte ad alcune domande frequenti:
L'acciaio SAE 4340, noto anche come AISI 4340, è un acciaio a medio tenore di carbonio e basso tenore di leghe che si distingue per le sue caratteristiche di resistenza e tenacità, che lo rendono adatto ad applicazioni ad alta sollecitazione. La sua composizione chimica è parte integrante delle sue proprietà e presenta i seguenti elementi chiave: Carbonio (da 0,37% a 0,43%), che contribuisce alla durezza e alla resistenza; Nichel (da 1,65% a 2,00%), che migliora la tenacità e la resistenza alla corrosione; Cromo (da 0,70% a 0,90%), che migliora la durezza e la resistenza all'usura; Manganese (da 0,60% a 0,85%), che contribuisce alla resistenza all'usura.85%), che contribuisce alla forza e alla durezza; silicio (da 0,15% a 0,35%), che aumenta la forza e la resistenza all'ossidazione; fosforo (massimo 0,015%) e zolfo (massimo 0,008%), entrambi mantenuti bassi per prevenire la fragilità e i problemi di saldatura. Il ferro costituisce la maggior parte, da 95% a 96% circa, fornendo la matrice di base per le leghe. Questa composizione è fondamentale per le applicazioni dell'acciaio nei settori aerospaziale, automobilistico e dei macchinari, dove la durata e le prestazioni sotto sforzo sono fondamentali.
L'acciaio legato AISI 4340 è ampiamente utilizzato in diversi settori industriali grazie alle sue notevoli proprietà meccaniche, tra cui l'elevata resistenza alla trazione, la tenacità e la resistenza alla fatica. Nell'industria aerospaziale, è comunemente utilizzato per la produzione di carrelli di atterraggio degli aerei, dove i componenti devono sopportare sollecitazioni estreme e carichi ciclici durante il decollo e l'atterraggio. Il settore automobilistico trae vantaggio dall'AISI 4340 nella produzione di alberi, ingranaggi, assali e mandrini ad alte prestazioni, che richiedono una durata in condizioni di coppia e stress elevati. Nel settore petrolifero e del gas, la sua eccellente resistenza alla fatica lo rende adatto alle attrezzature di perforazione esposte ad ambienti difficili. Inoltre, l'AISI 4340 è favorito nei sistemi di trasmissione di potenza per ingranaggi e alberi, grazie alla sua temprabilità e resistenza all'usura. Viene impiegato anche nella forgiatura e nella costruzione di macchine per componenti forgiati per impieghi gravosi e nell'ingegneria generale per parti strutturali che necessitano di elevata resistenza e tenacità.
Le proprietà meccaniche dell'acciaio SAE AISI 4340, noto anche come UNS G43400, ne evidenziano l'idoneità per le applicazioni più impegnative. Questo acciaio a medio tenore di carbonio e a bassa lega presenta un'elevata resistenza, tenacità ed eccellente resistenza alla fatica. Allo stato ricotto, l'acciaio 4340 ha una resistenza alla trazione di circa 745 MPa (108.000 psi) e una resistenza allo snervamento di circa 470 MPa (68.200 psi). Quando viene trattato termicamente (bonificato), la sua resistenza alla trazione può raggiungere 1.100 MPa (161.000 psi) con un carico di snervamento di circa 710 MPa (103.000 psi).
L'allungamento a rottura allo stato trattato termicamente è di circa 13,2% e la sua durezza può raggiungere il valore Rockwell C35. Il modulo di elasticità è pari a circa 205 GPa (29.700 ksi) e fornisce una misura della sua rigidità. Inoltre, l'acciaio 4340 è noto per la sua eccellente resistenza agli urti e agli impatti, in particolare quando è temprato e rinvenuto, il che lo rende ideale per i componenti aerospaziali e automobilistici come i carrelli di atterraggio e gli ingranaggi di trasmissione.
L'acciaio legato SAE AISI 4340 è molto apprezzato per le applicazioni strutturali grazie alle sue straordinarie proprietà meccaniche. Rispetto ad altre leghe di acciaio, il 4340 si distingue per l'elevato carico di snervamento, pari a circa 125.000 psi, e per la resistenza alla trazione, compresa tra 930 e 1.080 MPa. Questo lo rende più forte di molti acciai a medio tenore di carbonio, come il 4140, a cui manca il contenuto di nichel che aumenta la tenacità e la resistenza alla frattura del 4340. Inoltre, la combinazione di cromo, molibdeno e nichel del 4340 garantisce una resistenza alla fatica superiore, un fattore critico nelle applicazioni strutturali più impegnative.
L'acciaio 300M, una versione modificata del 4340, offre una maggiore resistenza alla fatica e duttilità, ma ha un costo più elevato. In confronto, il 4340 è più economico e offre comunque una resistenza sostanziale, che lo rende adatto a componenti aerospaziali come carrelli di atterraggio e supporti motore, nonché ad alberi a gomito e parti di sospensioni per automobili. Sebbene il 4340 richieda specifici processi di trattamento termico per ottimizzare le sue proprietà e garantire la saldabilità, i suoi vantaggi complessivi in termini di resistenza e durata lo rendono una scelta preferenziale per gli ambienti ad alta sollecitazione.
I vantaggi dell'utilizzo dell'acciaio SAE AISI 4340 nei processi produttivi sono numerosi, soprattutto grazie alle sue proprietà meccaniche superiori, alla composizione chimica ottimizzata e alla versatilità del trattamento termico. Questo acciaio legato è rinomato per la sua elevata resistenza e tenacità, raggiungendo resistenze alla trazione di almeno 930 MPa dopo il trattamento di tempra e rinvenimento, che lo rendono ideale per componenti portanti come alberi a gomito e carrelli di atterraggio per aerei. La sua eccellente resistenza alla fatica lo rende adatto a parti soggette a sollecitazioni ad alto ciclo, come alberi motore e assali.
La composizione chimica dell'acciaio 4340, che comprende nichel, cromo e molibdeno, ne migliora la tenacità, la temprabilità e la resistenza all'usura, mentre il contenuto controllato di carbonio garantisce un equilibrio tra durezza e lavorabilità. La capacità di tempra profonda dell'acciaio consente di ottenere proprietà uniformi su ampie sezioni trasversali, un aspetto cruciale per i forgiati per impieghi gravosi.
In termini di lavorabilità, l'acciaio 4340 si comporta bene nelle operazioni di taglio e forgiatura rispetto agli acciai di lega superiore. Sebbene la saldatura richieda un preriscaldamento e un rinvenimento post-saldatura per ridurre al minimo le cricche, rimane praticabile per le riparazioni strutturali.
Queste proprietà rendono l'acciaio 4340 molto prezioso in settori come quello aerospaziale, automobilistico, petrolifero e del gas, dove i componenti sono spesso esposti a pressioni estreme, impatti e carichi alternati. Inoltre, i recenti progressi, come i protocolli di rinvenimento migliorati e i trattamenti superficiali ibridi, ne migliorano ulteriormente le prestazioni e prolungano la vita utile dei componenti.
L'acciaio legato SAE AISI 4340 è ampiamente riconosciuto per le sue applicazioni di successo in diversi settori industriali, grazie alla sua elevata forza, tenacità e resistenza alla fatica. Nell'industria aerospaziale, viene utilizzato per componenti ad alta sollecitazione come i carrelli di atterraggio e gli elementi strutturali critici, dove l'affidabilità in condizioni estreme è fondamentale. Nel settore petrolifero e del gas, l'acciaio 4340 viene impiegato nelle apparecchiature di perforazione e negli strumenti di perforazione, offrendo durata e resistenza alla corrosione essenziali per gli ambienti difficili. L'industria automobilistica trae vantaggio dal suo utilizzo in componenti lavorati come gli alberi di trasmissione e in applicazioni ad alta resistenza come le barre di torsione e gli alberi a gomito, garantendo un funzionamento regolare e una lunga durata. Recenti ricerche continuano a esplorare i meccanismi di rafforzamento e il comportamento a fatica della lega, consolidando ulteriormente il suo ruolo nelle applicazioni più impegnative. Questi casi di studio evidenziano la versatilità e l'affidabilità della lega in contesti difficili, rendendola un materiale preferito per applicazioni ad alte prestazioni.
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