ETUDE EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE D'UN ALLIAGE A MEMOIRE DE FORME INDUSTRIEL NITI PDF Download
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LE PRESENT DOCUMENT EST UNE CONTRIBUTION A L'ETUDE EXPERIMENTALE, THEORIQUE ET NUMERIQUE DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE D'UN ALLIAGE A MEMOIRE DE FORME INDUSTRIEL NITI. LE TRAVAIL EST CONSTITUE PRINCIPALEMENT DE TROIS PARTIES : VALIDATION DES HYPOTHESES DE BASE UTILISEES DANS LES LOIS DE COMPORTEMENT, REALISATION D'ESSAIS MECANIQUES POUR CARACTERISER LES COMPORTEMENTS FERROELASTIQUE ET SUPERELASTIQUE DU MATERIAU, ET MODELISATION TRIDIMENSIONNELLE APPLIQUEE AU CALCUL DE STRUCTURES. L'OBJECTIF D'UN TEL TRAVAIL EST DE FOURNIR A L'INGENIEUR DE BUREAU D'ETUDES UN OUTIL NUMERIQUE CAPABLE DE DIMENSIONNER DES PIECES DE STRUCTURES EN ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME. LES LOIS DE COMPORTEMENT SONT ETABLIES A PARTIR D'HYPOTHESES PHYSIQUES, EN PARTICULIER CONCERNANT L'ORIGINE DE L'HYSTERESIS TANT THERMIQUE QUE MECANIQUE. CELLES-CI SONT VALIDEES A PARTIR D'EXPERIENCES REALISEES EN CISAILLEMENT SIMPLE EN FERROELASTICITE ET EN SUPERELASTICITE, SUR DES POLYCRISTAUX DE NITI, MAIS AUSSI SUR DES MONOCRISTAUX DE CUZNAL. DE PLUS, LES PREDICTIONS QUANTITATIVES DU MODELE SONT ALORS SATISFAISANTES. UNE CAMPAGNE D'ESSAIS HOMOGENES DE CARACTERISATION (TRACTION, COMPRESSION ET CISAILLEMENT) EST EFFECTUEE A DIFFERENTES TEMPERATURES. CES ESSAIS ONT ETE REALISES SUR DES TOLES AYANT ETE SOUMISES AU MEME TRAITEMENT THERMOMECANIQUE PREALABLE. ILS METTENT EN EVIDENCE LA COMPLEXITE DES PHENOMENES PHYSIQUES A MODELISER : COMPORTEMENT FORTEMENT NON LINEAIRE A HYSTERESIS, DEPENDANCE DES PROPRIETES CARACTERISTIQUES AVEC LA TEMPERATURE, DISSYMETRIE DE COMPORTEMENT ENTRE TRACTION ET COMPRESSION. LE SCHEMA CONSTITUTIF SOUS SA FORME TRIDIMENSIONNELLE EST ALORS IDENTIFIE A CES ESSAIS, ET MODELISE CORRECTEMENT LA MAJORITE DES COMPORTEMENTS OBSERVES. CE SCHEMA EST IMPLANTE DANS UN CODE DE CALCULS ELEMENTS FINIS ECRITS EN GRANDES TRANSFORMATIONS, QUI UTILISE LA NOTION DE COORDONNEES MATERIELLES ENTRAINEES. FINALEMENT, LA DEMARCHE DE MODELISATION EST VALIDEE : LES PREDICTIONS DES SIMULATIONS NUMERIQUES SONT COMPAREES AVEC DES EXPERIENCES METTANT EN EVIDENCE DES SOLLICITATIONS HETEROGENES, SOIT DE LOCALISATION OBSERVEE LORS DE TRACTION DE TOLE, SOIT DE FLEXION DE POUTRE.
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LE PRESENT DOCUMENT EST UNE CONTRIBUTION A L'ETUDE EXPERIMENTALE, THEORIQUE ET NUMERIQUE DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE D'UN ALLIAGE A MEMOIRE DE FORME INDUSTRIEL NITI. LE TRAVAIL EST CONSTITUE PRINCIPALEMENT DE TROIS PARTIES : VALIDATION DES HYPOTHESES DE BASE UTILISEES DANS LES LOIS DE COMPORTEMENT, REALISATION D'ESSAIS MECANIQUES POUR CARACTERISER LES COMPORTEMENTS FERROELASTIQUE ET SUPERELASTIQUE DU MATERIAU, ET MODELISATION TRIDIMENSIONNELLE APPLIQUEE AU CALCUL DE STRUCTURES. L'OBJECTIF D'UN TEL TRAVAIL EST DE FOURNIR A L'INGENIEUR DE BUREAU D'ETUDES UN OUTIL NUMERIQUE CAPABLE DE DIMENSIONNER DES PIECES DE STRUCTURES EN ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME. LES LOIS DE COMPORTEMENT SONT ETABLIES A PARTIR D'HYPOTHESES PHYSIQUES, EN PARTICULIER CONCERNANT L'ORIGINE DE L'HYSTERESIS TANT THERMIQUE QUE MECANIQUE. CELLES-CI SONT VALIDEES A PARTIR D'EXPERIENCES REALISEES EN CISAILLEMENT SIMPLE EN FERROELASTICITE ET EN SUPERELASTICITE, SUR DES POLYCRISTAUX DE NITI, MAIS AUSSI SUR DES MONOCRISTAUX DE CUZNAL. DE PLUS, LES PREDICTIONS QUANTITATIVES DU MODELE SONT ALORS SATISFAISANTES. UNE CAMPAGNE D'ESSAIS HOMOGENES DE CARACTERISATION (TRACTION, COMPRESSION ET CISAILLEMENT) EST EFFECTUEE A DIFFERENTES TEMPERATURES. CES ESSAIS ONT ETE REALISES SUR DES TOLES AYANT ETE SOUMISES AU MEME TRAITEMENT THERMOMECANIQUE PREALABLE. ILS METTENT EN EVIDENCE LA COMPLEXITE DES PHENOMENES PHYSIQUES A MODELISER : COMPORTEMENT FORTEMENT NON LINEAIRE A HYSTERESIS, DEPENDANCE DES PROPRIETES CARACTERISTIQUES AVEC LA TEMPERATURE, DISSYMETRIE DE COMPORTEMENT ENTRE TRACTION ET COMPRESSION. LE SCHEMA CONSTITUTIF SOUS SA FORME TRIDIMENSIONNELLE EST ALORS IDENTIFIE A CES ESSAIS, ET MODELISE CORRECTEMENT LA MAJORITE DES COMPORTEMENTS OBSERVES. CE SCHEMA EST IMPLANTE DANS UN CODE DE CALCULS ELEMENTS FINIS ECRITS EN GRANDES TRANSFORMATIONS, QUI UTILISE LA NOTION DE COORDONNEES MATERIELLES ENTRAINEES. FINALEMENT, LA DEMARCHE DE MODELISATION EST VALIDEE : LES PREDICTIONS DES SIMULATIONS NUMERIQUES SONT COMPAREES AVEC DES EXPERIENCES METTANT EN EVIDENCE DES SOLLICITATIONS HETEROGENES, SOIT DE LOCALISATION OBSERVEE LORS DE TRACTION DE TOLE, SOIT DE FLEXION DE POUTRE.
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CE TRAVAIL CONSTITUE UNE CONTRIBUTION A L'ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE D'ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME DE TYPE NITI. L'ETUDE EXPERIMENTALE EFFECTUEE A PORTE SUR DEUX TYPES DE SOLLICITATIONS MECANIQUES ET THERMIQUES HOMOGENES, A SAVOIR, TRACTION UNIAXIALE ET CISAILLEMENT SIMPLE. POUR CE FAIRE, IL A ETE CONCU ET REALISE DEUX MACHINES D'ESSAIS SPECIFIQUES, A TEMPERATURE CONTROLEE PAR UN BAIN D'HUILE SILICONE THERMOSTATE. DANS LE CADRE DE L'ETUDE DE DEUX ALLIAGES NITI SOUS FORME DE TOLES, L'EXPLOITATION DES MOYENS EXPERIMENTAUX A PERMIS DE COMPARER LES COMPORTEMENTS THERMOMECANIQUES DE TRACTION ET DE CISAILLEMENT, DE DETERMINER LES COMPORTEMENTS MONOTONES ET CYCLIQUES POUR TOUTE LA GAMME DE TEMPERATURE CONCERNEE PAR LA TRANSFORMATION MARTENSITIQUE, DE REALISER DES ESSAIS D'EFFET MEMOIRE SIMPLE ET DE TRANSFORMATION ASSISTEE SOUS CHARGE. L'ETUDE THEORIQUE EST SCINDEE EN DEUX PARTIES. UNE PREMIERE CONTRIBUTION PORTE SUR LES POSSIBILITES D'APPLICATION DU SCHEMA THEORIQUE D'ELASTOHYSTERESIS AU CAS DE LA MODELISATION DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE D'UN ALLIAGE DONNE NITI. L'IDENTIFICATION DE LA LOI DE COMPORTEMENT A ETE REALISEE A PARTIR D'ESSAIS ISOTHERMES DE CISAILLEMENT, EN UTILISANT UN NOMBRE REDUIT DE PARAMETRES POSSEDANT TOUS UNE SIGNIFICATION PHYSIQUE. LES PRINCIPAUX EFFETS OBSERVES EXPERIMENTALEMENT LORS D'ESSAIS DE VALIDATION NON ISOTHERMES SONT A LA FOIS QUALITATIVEMENT ET QUANTITATIVEMENT BIEN MODELISES, EN PARTICULIER LORS DU PREMIER CYCLE EN TEMPERATURE. CETTE ETUDE A SOULIGNE LES LIGNES DE RECHERCHE A DEVELOPPER POUR DECRIRE DE MANIERE PLUS REALISTE LA CORRESPONDANCE ENTRE LES HYSTERESIS THERMIQUE ET MECANIQUE. ENFIN, LA SECONDE PARTIE DE L'ETUDE THEORIQUE A PERMIS D'APPORTER DES ELEMENTS DE COMPREHENSION SUR L'ORIGINE DE L'EFFET MEMOIRE DOUBLE SENS, INDIQUANT AINSI LES DEVELOPPEMENTS FUTURS A ENVISAGER AU MODELE D'ELASTOHYSTERESIS
Author: LEXCELLENT Christian Publisher: Lavoisier ISBN: 2746295059 Category : Shape memory alloys Languages : en Pages : 407
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Les alliages à mémoire de forme sont des matériaux uniques qui ont la propriété de se souvenir des traitements thermomécaniques subis (traction, torsion, flexion, etc.). Ils sont très utilisés dans l'industrie biomédicale, l'aéronautique ou le nucléaire. Cet ouvrage traite de leur compréhension physique et mécanique, et de leur utilisation, en se concentrant principalement sur la nature de la transformation martensitique, expliquée à travers les théorèmes de Ball et James. Les modèles macroscopiques à variables internes donnent les clés pour le calcul des structures en alliage à mémoire de forme, particulièrement utile pour l’utilisation industrielle de ces matériaux. Professeur à l’Ecole nationale supérieure de mécanique et des microtechniques de Besançon, Christian Lexcellent mène des recherches depuis plus de 20 ans sur les alliages à mémoire de forme. Ses enseignements portent sur le comportement linéaire et non-linéaire des matériaux.
Author: Vincent Delobelle Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les alliages à mémoire de forme Nickel Titane sont des matériaux aux propriétés remarquablesdues à une transformation martensitique réversible et sont largement utiliséspar l'industrie biomédicale et dans des dispositifs de type actionneurs. La première partiede cette étude porte sur une analyse de leur comportement thermomécanique basée surla réalisation de mesures de champs cinématiques (par corrélation d'images visibles) etthermiques (par caméra infrarouge). Une part importante du travail présenté concernel'amélioration des calculs de sources de chaleur à partir des champs de température. Pource faire, les capacités et conductivités thermiques des phases austénitique et martensitiqueont été estimées par différentes méthodes expérimentales. Ensuite, la méthode de calcul desource a été validée sur des données virtuelles obtenues numériquement et sur des donnéesexpérimentales obtenues lors d'une transformation martensitique induite par un refroidissementnaturel. Cette première partie se conclut par l'application des développements àdes mesures réalisées lors d'un essai de cisaillement. La seconde partie est une contributionà la réalisation de matériaux architecturés constitués d'empilement de tubes de NiTi liésentre eux ; notre étude concerne la réalisation et la caractérisation de liaisons de tubes deNiTi par soudage résistif.
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DEUX FAMILLES D'ALLIAGE A MEMOIRE DE FORME ONT ETE ETUDIEES: ALLIAGES BINAIRES NITI ET TERNAIRES NITICU. CES ALLIAGES PRESENTENT UNE TRANSFORMATION MARTENSITIQUE INTERVENANT DANS LES DOMAINES DE TEMPERATURES 60-80C ET 20-30C RESPECTIVEMENT. LE COMPORTEMENT MECANIQUE DE CES MATERIAUX EST ETUDIE EN RELATION AVEC LES EVOLUTIONS STRUCTURALES ELLES-MEMES DEPENDANTES DE LA TEMPERATURE. LES CARACTERISTIQUES MECANIQUES ONT ETE DEDUITES DE MESURES DE FROTTEMENT INTERIEUR (1 HZ) ET D'ESSAIS DE TORSION SUR UNE MACHINE MOLLE SPECIALEMENT CONSTRUITE POUR CETTE ETUDE. LES EVOLUTIONS STRUCTURALES SONT SUIVIES PAR DIFFRACTION DES RAYONS X ET PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE EN TRANSMISSION. DES RENSEIGNEMENTS SUPPLEMENTAIRES ONT ETE OBTENUS A PARTIR DES VARIATIONS DE RESISTANCE ELECTRIQUE ET DES SPECTRES DE CALORIMETRIE DIFFERENTIELLE A BALAYAGE. CE TRAVAIL FAIT RESSORTIR LE ROLE PARTICULIER DE LA PHASE INTERMEDIAIRE APPELEE PHASE R
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Les alliages à mémoire de forme (amf) sont superthermoélastiques, c'est-à-dire qu'ils sont capables de subir un allongement plus de cent fois supérieur à celui des alliages courants. Cette déformation a lieu lors d'application de contrainte mécanique (superélasticité isotherme) ou de variations de température (fluage anisotherme). Les propriétés très particulières des amf sont liées à une transformation de phase solide sans diffusion (la transformation martensitique) au cours de laquelle une phase mère (austénite) donne naissance d'une manière cristallographiquement réversible à une phase appelée martensite. L'élaboration de lois et de modèles de comportement est une étape nécessaire dans le processus de développement industriel de ce type de matériau. Ce travail a pour but d'élaborer un modèle du comportement superthermoélastique base sur une approche micromécanique. La prise en compte des micromécanismes physiques responsables du comportement aboutit à la description du comportement à l'échelle microscopique. L'utilisation d'une méthode de transition d'échelle adaptée (la méthode autocohérente) rend compte du comportement macroscopique. Une étude expérimentale réalisée sur un alliage cuivre-aluminium-bérylium permet de caractériser thermomécaniquement des monocristaux et polycristaux de même composition. Les résultats expérimentaux et numériques ainsi obtenus sont en bon accord. De plus, l'approche utilisée permet d'accéder à des résultats numériques microstructuraux relatifs aux différents grains constituant le polycristal.
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AFIN DE DECELER TOUTES LES SOURCES D'EVOLUTION DE L'EFFET MEMOIRE DOUBLE SENS OBSERVE DANS LE CU-AL-NI, NOUS AVONS ETUDIE EN PARALLELE LE VIEILLISSEMENT PUREMENT THERMIQUE DE CET ALLIAGE HAUTE TEMPERATURE ET SON COMPORTEMENT EN FATIGUE THERMOMECANIQUE. LES ETUDES EXPERIMENTALES DES VIEILLISSEMENTS EN PHASE BETA ET EN MARTENSITE ONT PERMIS DE DEFINIR LES CINETIQUES D'EVOLUTION ET DE PROPOSER DES HYPOTHESES QUANT AUX PHENOMENES MIS EN JEU. L'ETUDE EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE A CONSISTE A OBSERVER LES EVOLUTIONS DE L'EFFET MEMOIRE DOUBLE SENS AU COURS DU CYCLAGE THERMIQUE SOUS L'EFFET D'UNE CONTRAINTE OU SANS CONTRAINTE APRES EDUCATION; BON NOMBRE DE PARAMETRES EXPERIMENTAUX ONT ETE EXPLORES AFIN DE DEFINIR LEUR INFLUENCE SUR LE COMPORTEMENT EN FATIGUE THERMOMECANIQUE
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L'AMELIORATION DE LA DESCRIPTION DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DES ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME NECESSITE L'UTILISATION ET LE DEVELOPPEMENT DE NOUVEAUX MOYENS D'INVESTIGATIONS, EN COMPLEMENT DES METHODES CLASSIQUES. PARTANT DE CE FAIT, UNE MACHINE DE TRACTION BIAXIALE A ETE CONSTRUITE. UN SYSTEME D'OBSERVATION OPTIQUE COMPOSE D'UN MICROSCOPE, D'UNE CAMERA NUMERIQUE ET D'UN SYSTEME D'ACQUISITION PC EST COUPLE A LA MACHINE. L'OBSERVATION DE LA SURFACE DES EPROUVETTES PERMET D'ETUDIER PLUS FINEMENT L'APPARITION ET LE DEVELOPPEMENT DES PLAQUETTES DE MARTENSITE AU SEIN DE LA PHASE MERE AUSTENITIQUE. APRES FABRICATION (METHODE DE BRIDGMAN) ET CARACTERISATION D'EPROUVETTES MONOCRISTALLINES CUZNAL (TEMPERATURES DE TRANSITION, ORIENTATION DU MOTIF CRISTALLIN AUSTENITIQUE EN REFERENCE AU REPERE GEOMETRIQUE), DES TRAJETS DE CHARGEMENT UNIAXIAUX ET BIAXIAUX PROPORTIONNELS OU NON-PROPORTIONNELS SONT APPLIQUES SUR LES EPROUVETTES. L'ETUDE EXPERIMENTALE EST COMPLETEE PAR DES ESSAIS CONVENTIONNELS DE CISAILLEMENT, DE TRACTION UNIAXIAL ET DE CYCLAGE THERMIQUE SOUS CONTRAINTE SUR DES MONOCRISTAUX CUZNAL ET CUALBE. IL RESSORT QUE LE COMPORTEMENT DU MATERIAU EST REGI PAR UNE SERIE DE SURFACE CRITERE DEFINISSANT LES SEUILS DE DEBUTS ET DE FINS DE TRANSITIONS DE PHASE DIRECTE ET INVERSE. LES MECANISMES DE SELECTION DES VARIANTES DE MARTENSITE ACTIVEES EN FONCTION DE LA SOLLICITATION THERMOMECANIQUE SONT DECRITS. LA DERNIERE PARTIE DE CE TRAVAIL CONSISTE EN L'INTEGRATION DES DONNEES EXPERIMENTALES AU SEIN D'UN MODELE MICROMECANIQUE DE PREVISION DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE. APRES UNE PRESENTATION DE CE FORMALISME, IL EST VALIDE PAR LA SIMULATION D'ESSAIS EXPERIMENTAUX.
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AU COURS DE CE TRAVAIL, NOUS AVONS ETUDIE LA FATIGUE DE DEUX ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME INDUSTRIEL DE TYPE CUZNAL ET TINICU. LES ECHANTILLONS ONT ETE TESTES EN EFFET MEMOIRE DE FORME DOUBLE SENS ASSISTE (CYCLAGE THERMIQUE SOUS CONTRAINTE CONSTANTE) ET EN EFFET SUPERELASTIQUE (CYCLAGE MECANIQUE ISOTHERME) A L'AIDE D'UNE MACHINE DE TRACTION SPECIALEMENT CONCUE A CET EFFET. DES PARAMETRES TELS QUE LA DUREE DE VIE, LA DEFORMATION LIEE A LA TRANSFORMATION, LA DEFORMATION NON RECOUVRABLE, L'EVOLUTION DE L'ENTHALPIE ET DES TEMPERATURES DE TRANSFORMATION ONT ETE ETUDIES. IL APPARAIT QUE, DANS LE CADRE DE L'EFFET MEMOIRE DOUBLE SENS ASSISTE, ON PEUT DEFINIR TROIS TYPES DE COMPORTEMENT DEPENDANT DE LA CONTRAINTE APPLIQUEE. LORS DE L'ETUDE DE L'EFFET SUPERELASTIQUE, LE COMPORTEMENT DES ALLIAGES EST RELATIVEMENT INDEPENDANT DE LA TEMPERATURE DE TEST, CE PARAMETRE POUVANT ETRE CONSIDERE ALORS COMME UN CRITERE DE SEVERITE. NOUS AVONS COMPARE LES RESULTATS OBTENUS SELON LE TYPE D'ALLIAGE. LA DIFFERENCE MAJEURE ENTRE LES DEUX ALLIAGES ETUDIES REPOSE SUR TROIS POINTS: - LE TINICU SUPPORTE DES CONTRAINTES PLUS ELEVEES QUE LE CUZNAL, - L'EFFET MEMOIRE DOUBLE SENS OBTENU ENFIN D'ESSAI DE FATIGUE EST PLUS FAIBLE DANS LE CAS DU TINICU QUE DANS CELUI DU CUZNAL, - LA RUPTURE DU TINICU EST DUCTILE, ALORS QU'ELLE SE DECOMPOSE EN DEUX STADES POUR LE CUZNAL, PROPAGATION LENTE DE FISSURE ET ARRACHEMENT
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Il est bien connu que les alliages à mémoire de forme (AMF) sont considérés comme une classe particulière de matériaux qui peuvent retrouver une forme préalablement définie par simple chauffage. Cette propriété remarquable, appelée effet mémoire de forme, peut être exploitée dans la conception d'applications originales afin de trouver les solutions intéressantes aux problèmes rencontrés dans divers champs industriels. Dans notre travail, nous proposons une loi constitutive tridimensionnelle thermomécanique adaptée aux alliages à mémoire de forme à base de fer. Elle tient compte de l'effet de la transformation martensitique et des mécanismes de glissement plastique et leurs interactions. La formulation adoptée est basée sur une description micromécanique simplifiée. La comparaison entre les forces motrices et les forces critiques d'activation des mécanismes mis en jeu nous ont permis de déterminer le type de comportement induit pour un niveau de chargement donné. Nous avons adopté le schéma implicite d'intégration de Newton-Raphson pour la résolution de ce système. Les résultats obtenus pour des chargements thermomécaniques sont comparés à ceux obtenus expérimentalement.
Author: LAURENT.. ORGEAS
Author: LAURENT.. ORGEAS
Author: Pierre-Yves Manach
Author: LEXCELLENT Christian
Author: Vincent Delobelle
Author: KAMEL.. GOUBAA
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Author: PASCALE.. RODRIGUEZ
Author: ALEXANDRE.. VIVET
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