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ASTMD7078完整译文
V型槽轨道剪切方法测复合材料剪切性能测试标准
1.范围
1.1这篇测试方法适用于确定高模量纤维增强复合材料的剪切性能，V型槽口试样通过加载轨道的两对夹具夹持试样。
当施加拉力时，轨道通过试样表面将剪切载荷传递给试样。
相对而言，测试方法D5379是在试样上下端部施加载荷。
面内加载可以对试样提供更高的剪切载荷。
另外，当前测试方法比D5379使用更大的测试截面积。
在这两种测试方法中，使用V型槽口，相对于夹具附近提高了试样测试截面积的剪切应力。
因此，当V型槽口试样剪应力比未用V型槽口试样分布均匀，实现测试截面部位发生破坏。
测试方法D4255利用两个加载轨道夹持无槽口的试样提供拉伸加载。
和测试方法D4255相比，本文所使用的测试方法在试样夹持时无须在试样表面打孔。
复合材料局限于如下形式的连续纤维或非连续纤维增强构成：
1.11层合板由单一方向的纤维层合板构成，纤维排列方向平行或垂直于夹具轨道。
1.12层合板是个对称平衡结构，并且0°方向平行或垂直于夹具轨道。
1.13层合板通过编织物、编制状纤维丝线层合板组成。
1.14短纤维增强材料由大多数按随机分布方式排列的纤维组成。
1.2SI单位和英尺-磅单位制里的数值，被认为是二个独立的数值标准。
本文出现的英尺-磅数值由括号里面标示出来。
这两个标准里面的数值并不完全相等，每个标准里的数值都必须独立使用。
如果把两个标准的数值结合在一起，可能会得到不符合标准的结果。
1.3这个标准不支持所有的安全系数考虑问题，如果实验操作者需要的话必须自行确定。
因此在实验操作之前先做好安全步骤，是实验员实验前做好准备工作的一项重要责任。
2.参考文献
2.1美国材料实验协会标准
D792塑料密度和特殊比重（相对密度）位移测定方法
D883塑料专业术语
D2584聚氯乙烯树脂烧失量测试方法
D2734塑料增强材料失效测试方法
D3171复合材料构成成分的测试方法
D3878复合材料专业术语
D4255通过横杆剪切法测定非平面聚合母体复合材料剪切性能测试方法
D5229母体聚合复合材料的吸水性和平衡条件
D5379通过V字型凹槽梁测试法测定复合材料剪切性能的测试方法
D6856纤维增强织物复合材料的测试指导
E4测试仪器力学检测方案
E6力学测试相关的专业术语
E111杨氏模量、剪切模量、割线模量测试方法
E122计算要求特殊偏差试样尺寸方案，各个性能平均值
E177ASTM测试方法里各项物理量的精度偏差使用方法
E251金属连结体电阻应变仪性能测试方法演示
E456质量分析相关的专业术语
E1237连接电阻应变仪安装指导
E1309确定数据库里纤维增强母体聚合复合材料指导
E1434纤维增强复合材料性能数据指导
2.2其它文献
ANSIY14.5M-1982几何尺寸和偏差
ANSI/ASMEB46.1-1985表面材质（表面粗糙、起伏、褶皱）
2.3美国材料实验协会标准附录：
V字型凹槽横杆剪切固定装置示意图
3.专业术语
3.1定义—D3878专业术语里详细说明了和高模量纤维相关的各项含义以及它们的组成。
专业术语D883详细说明了和塑料相关的各项含义。
E6专业术语里详细介绍了和力学测试相关的各项含义。
专业术语E456和方案E177详细介绍了和分析学相关各项含义。
如果里面各项出现冲突，专业术语D3878作为各项的总则。
备注1—如果一项术语代表一个物理含义，那么它的分析量纲由基础量纲形式来表达，使用美国材料实验协会标准系统。
表达形式如方括号里所示：
[M]代表质量，[L]代表长度，[T]代表时间，[
]代表热力学温度，[nd]代表无量纲参数。
当使用方括号住明这些符号的时候要求严格按照分析上定义的量纲，如果不使用方括号，这些符号可能具有其它含义。
3.2这个标准里定义的特殊术语
3.2.1面内剪切，
—和剪切力或者1-2材料平面上的变形相关的剪切（参考材料坐标系）。
3.2.2层合板剪切，n—任一剪切性能描述当加载剪切力时发生的反应或给定1-3、2-3平面上的变形（同样视材料坐标系统而定）
3.2.3材料坐标系统，n-用来描述主要材料坐标的笛卡儿坐标系。
用1、2、3来代表各个坐标轴方向，如图1所示。
图1材料坐标体系
3.2.4偏移剪切强度[M/（LT2）]，n-给定一个初始的剪切变形和固定的模量，从起始变形位置开始，按固定的模量所画切线和剪应力曲线的交点。
3.2.4.1讨论-偏移剪切强度是用来判定材料应力应变线性程度关系的。
（按照这个定义，如果材料非线性或者假设显示的是早期破坏。
）当比较材料的预设强度时，必须使用相同的预设应变，定义相同的模量。
当比较的时候缺少合适的数据建议前提下，使用较为合适的数值，应采用0.2％偏移应变和标准割线模量。
偏移剪切强度的几何图例如图2所示。
在设计上，其它的偏移剪切强度结合模量定义可能更适合特殊的材料和应用。
图2模量和偏移强度定义描述
3.2.5剪切强度[M/（LT2）]，n-在纯剪切条件下，一个材料在屈服点上的剪应力。
3.3符号
A=试样截面积
CV=离散率
=凹槽间试棒的宽度
=凹槽深度
=测试方向上剪切强度
=测试方向上强度
=给定一个初始的剪切变形和固定的模量，从起始变形位置开始，按固定的模量所画切线和剪应力曲线的交点
G=测试方向上弹性部分剪切模量
=试棒总厚度
=试棒总长度
=每个试样母体的试棒数
=测试试棒载荷
=屈服点上测试试棒载荷
=测试试棒在屈服前极限载荷
=凹槽半径
=给定性能试样标准差
=试棒总宽度
=给定性能母体样板中每个独立试样的测试结果
=平均值
=工程剪切应变
=通过应变仪位移传感器测得的实际形变
=拉应力
=剪应力
=层间方向角度
4.概括和测试方法
4.1具有对称加载中心的V字型矩形平面材料试样，如图3所示，被加紧在加载仪器的两个试样夹头上（固定夹头如图4所示），示意图如图5所示，关于仪器方面的更详细操作可以参考美国材料实验协会标准附录ADJD7078。
当在力学测试仪器上加载力时，这个试样夹头会传递剪应力给试样，导致试样在字型凹槽部位发生破坏。
名义试样尺寸
d1=31.0mmd2=12.7mmh=按要求L=76.0mmr=1.3mmw=56.0mm
图3V型草轨道剪切测试试样简图
图4有试样和垫块的部分装配图
4.2试样沿着V字型凹槽口对着加载力的方向插入到两个试样夹头内。
两个相同的试样夹头在装置了应力监视器的测试机器上产生变形。
两个试样夹头之间的相对位移将会在试样字型凹槽内产生剪应力。
4.3试样的凹槽
凹槽会影响剪应变比无凹槽试样更均匀分布在试样中心部位。
由于试样宽度的降低，平均剪应力相对无凹槽试样有所提高。
5.意义和使用
5.1这篇剪切测试设计是用来获得剪切性能数据用于材料规格、研发、质量保证和结构的设计分析。
依靠材料坐标系和加载方向之间的位置关系可以得出材料的层间剪切和面内剪切。
影响剪切反应的因素需要记录下来，包括：
材料、材料准备和铺层方法、试样堆积顺序、试样准备、试样状态、测试时环境条件、试样纤维排列和夹持、测试速度、温度下的时间、试样空隙程度、增强材料体积含量。
5.2各向异性材料的性能可以通过六个可能的剪切平面得到，通过把试样按不同要求放置（1-2或2-1，1-3或3-1，2-3或3-2）。
对于一个给定的试样，只能评估一个剪切平面。
按照测试方向，这个试样可以得到以下性能：
5.2.1剪切应力和工程剪切应变的比
5.2.2极限剪切强度
5.2.3极限工程剪应变
5.2.4割线剪切弹性模量
5.2.5过渡应变
图5装配V型槽的轨道剪切配件
6.影响因素
6.1材料和试样的准备工作，材料制备操作不好、纤维取向不对、不合适的实验操作对试样造成的破坏，可以导致复合材料数据偏差较大。
6.2弹性模量测试，这篇文章剪切模量计算是在假设凹槽试样两端之间的剪应变和剪应力均匀的前提下得到的。
实际均匀度依赖于材料的异向性，应力加载方向和凹槽几何尺寸（凹槽角度、凹槽深度和半径）。
参考如图六所示纤维的方向，详细的应力分析显示出在0°方向试样产生的弹性模量数值偏高（高出碳纤维环氧树脂5-10％），而[0/90]方向上测得相对准确的弹性模量。
另外，应力分析显示在±45°铺层占25％-100％范围层合板体的模量相对准确。
6.3试样几何尺寸修正，凹槽几何尺寸（角度、深度和半径）的改变影响着凹槽口之间剪应力剪应变分布的均匀性。
凹槽的尺寸和材料各向异性程度的建议还未发展完全。
因此，采用简单的凹槽几何尺寸。
在提高特定材料和层合板的剪应力剪应变能均匀分布的前提下，凹槽的角度、深度和半径的改变是可以接受的，当实验报告中明显标明出了尺寸的改变量。
6.4加载的偏心，当试样在加载时可能会发生扭转，影响强度特别是弹性模量值。
扭转可能是因为夹具的精度偏差、试样尺寸偏差，或者由于试样固定时不合理安装在固定夹上。
建议每组试样至少用一个试件在试件两侧贴2-element应变片来测扭转度。
从两侧的数据代替剪切模量来估算扭转程度，把
和
带入公式
，估计工程剪应变为0.004。
如果扭转的总量超过3％，那么试样就要求检测造成扭转的原因，并且做出必要的修正。
如果扭转不明显或不能做合理的修正，那么剪切模量可以通过取各个两侧应变片应变平均值来确定。
6.5确定破坏，参考如图6中纤维的方向标准：
图6V型槽剪切试样纤维方向
6.5.10°单向试样——利用0°单向试样是不推荐的，因为他们产生的剪切模量太高（高出碳纤维环氧树脂5-10％）。
0°单向试样会在凹槽底部产生明显的裂缝，导致在极限破坏前加载力的下降（5-10％极限应力）。
伴随着凹槽底部小裂缝引起的应力下降是不考虑在加载破坏中的。
而加载导致在测试部位的破坏侧是考虑为加载破坏的。
6.5.290°单向试样——利用90°单向试样是不推荐的，因为试样没有增强纤维横跨两个加载夹头之间宽度。
因此，试样在加载到测试夹头上时就发生了破坏。
6.5.390°织布或者纤维试样——在加载过程中可以达到的剪切破坏加载可能会比极限加载小。
对于这种层合板，纤维可能在破坏过程中伴随有旋转，随后纤维在加载过程中承担大部分载荷。
在这种情况下，剪切加载破坏经常可以结合观察测试截面和载荷下降，或者在应力位移曲线中产生突变来发现。
6.5.4±45°至少占25％的试样——高剪切强度轨道剪切试样，特别是薄的试样，在加载时可能会产生弯曲。
弯曲可以通过加载过程中两个相反试样表面的应变测量仪数据差超过10％来判定。
试样弯曲状态测得的数据不能代表材料的剪切性能。
模量测试中要确定在模量测试范围内试样没有发生弯曲。
强度测试要保证剪切强度没有受试样弯曲影响。
弯曲破坏是不能够判定最大剪切强度的。
6.5.5分层是含大量±45°纤维的层合板的另外一种破坏类型，相比于前面提到的整体试样弯曲破坏来讲，该破坏反应出±45°层的不稳定性，这是因为纤维受压缩应力而不是先前所讲的整体试样失稳破坏。
另外，分层可能是由于在剪切加载下多向层合板产生的层间导致的。
由于分层导致的不同的应变仪读数差别是不容易察觉的，但是破坏可能是由于分层导致的而非纤维断裂引起的。
但是这种破坏可以通过纤维层分离而不是纤维断裂确定下来。
7.仪器
7.1测微计——测微计具有名义直径的双球界面4－5mm[0.16-0.20]。
测微计具有平面夹头表面可以用来测定试样的宽度。
仪器的精度必须达到试样厚度和宽度的1％。
对于一般的试样尺寸，测量厚度的仪器的精度为
[±0.0001in]就足够了，宽度精度侧要达到
[±0.001in]就足够了。
7.2扭力扳手——用于测量螺钉扭矩，是否在要求扭力值范围内。
7.3角度测量仪。
测试凹槽角度，具有精度
。
7.4半径测量仪。
测顶凹槽半径，具有
[±0.01in]。
7.5测试机。
测试机应该满足标准E4并且满足下面条件：
7.5.1测试机头。
测试机头必须具有一个固定头和一个移动头。
7.5.2动力器。
测试机的驱动仪必须能够传给可移动头一个可以控制的固定速度，并且可移动头的速度可以通过11.3阐述的方法测得。
7.5.3力传感器。
测试机的力传感器仪需要能够显示加载在测试试样上总的加载力的数值大小。
这个仪器需要在固定速度加载下解除初始延迟，并且能显示的加载力具有超过加载力范围，具有加载力1％的误差精度。
备注2：
在同一个测试里的大范围数据范围内获得准确的载荷数据，如同时需要弹性模量和极限载荷，需要对载荷原件和它的刻度有严格要求。
对于某一中设备需要一个特殊的刻度。
对于某些材料和载荷原件，同时准确测得弹性模量和极限强度是不可能的。
每一个试样的测试，可能需要使用不同的载荷原件分别测试，来测量强度和模量。
7.5.4夹头。
使用的夹头应该具有两个横杆夹具部分如示意图5所示，更多的仪器绘图细节请参考美国国家材料协会标准附录ADJD7078。
每个夹具都包含一个上部横杆和两个附着在夹具表面上的高摩擦系数热涂膜。
三个螺钉给每个夹具平面提供压力，确保试样在加载过程中的安全。
另外的两块间隙物，用来确保试样固定在夹具上，如图4所示。
7.5.5测试机的连接。
两个测试机头应该能够灵活连接到V字型凹槽横杆剪切夹头。
如果需要，在两个头之间，其中一个表面应该能够解除较小的误差，如普通的节点。
7.6应变测试仪。
连结电阻应变测试仪用来测试应变。
至少需要两个位于试样凹槽两端样板之间的测试元件。
测量元件必须按在如图六所示±45°位置。
如果考虑试样的扭转，试样两面贴的测量元件必须同时测量，修正第六节讨论的可能存在的试样扭转。
从两个测量元件上输出的数据能够独立监视，并随测试过程累积。
并且每个测量元件按半桥方式接起来，以便将两个元件上测得的数据加合起来，因此能够直接得到工程剪应变。
7.6.1连结电阻应变测试计选取，应变测试选取基于测试材料类型。
一般对于单一层合板推荐测试长度差为1.5mm[0.062in]。
对于一些纺织织物层合板来说要使用更大型的应变片。
当应变测量元件装在加载轴的±45°位置时，测量元件的宽度不超过剪切均匀分布区域（见备注3）。
应变标度规则应该遵守测试方法E251。
应变测量计推荐具有大约3％小应变范围（工程剪应变6％）。
当测试纺织纤维层合板的时候，测量计选取应该考虑测量计的工作长度至少和织物特性重复单元一样大。
某些复合物应变测量计使用指导如：
一般参考参照Tuttle和Brison。
使用在纺织纤维层合板的应变计选取指导参照指导D6856。
备注3：
一般应变片应该有1.65mm（0.062in.）-3.125mm（0.125in.）的工作应变长度，350Ω电阻，应变速率为3％或更高，有合适的热膨胀系数和环境适应性。
7.6.1.1按照指导E1237进行纤维增强复合材料表面处理会穿透基体材料并对增强纤维造成损坏，产生不合适的试样破坏。
增强纤维在准备过程中不能暴露在外或者受到破坏。
应变测量计生产商应该考虑表面处理导，推荐复合材料使用的胶粘剂。
直到发展出一系列应变测量片的安装和FRP表面处理的标准操作。
7.6.1.2选取测量计时选取具有大电阻的测量计，减少传热系数低的材料引起的热效应。
优先考虑使用350
以上的电阻。
另外维持测量计工作并能符合精度要求的最小电压需要给定，一般推荐使用1-2V电压，减少测量计的能量损耗。
测量计产生的热量，会直接影响实验性能显示的结构不符合材料实际性能，也可能会影响在测量计位置试样的应变值，在材料在应变仪温度偏移因素和材料的热膨胀系数条件下。
7.6.1.3推荐考虑某些形式的温度补偿，甚至是在标准大气温环境实验室里。
在没有周围温度环境下的测试需要考虑温度补偿。
7.6.1.4需要考虑选取测量计的传递灵敏度。
生产厂家需要考虑传递灵敏度的标准及复合材料的影响。
7.7调理室，控制材料在非实验室环境下，控制温度湿度环境水平的调理室需要能够控制温度差在±3℃[±5℉]，湿度差控制在3％范围内。
调理室控制可以在自动连续或者在手工基础区间上显示。
7.8环境测试室，环境测试室要求测试环境和周围实验室条件。
这个测试室要能够保持试样测试部位在实验过程中达到实验测试需要。
8.样品和测试试样
8.1样品，每组测试条件至少需要5根试样除非能够从少于5根试样中得到准确的结果，譬如设计实验。
统计重要的数据，参考E122指导过程中的概要。
叙述样品工艺方法。
8.2几何尺寸，特殊试样具有V字型凹槽对称中心的矩形平面。
由于薄试样在剪切实验破坏中更容易发生弯曲，规范要求使用层合板至少具有1.3mm[0.050in]厚度。
厚度较厚的试样，特别是45°层含量较高的试样，剪切强度可能会超过测试机器夹具夹紧能力。
强制性要求在8.2.1中有描述。
不要求的参数规则在8.2.2中有讨论。
8.2.1试样要求
8.2.1.1形状、尺寸、偏差和结构。
实验要求的试样形状、尺寸、偏差在图7（SI）和图8（inch-pound）中描述。
如果要求调整凹槽角度为90°，凹槽深度为12.5mm[0.50in]，凹槽半径为1.3mm[0.050in]以达到特殊材料要求也是可以的，但是这些值中的某个量发生偏差时，都要按实验要求记录下来，并且偏差标准在这些特性上依然可以使用。
如第6节讨论，[0/90]复合方向试样的弹性模量比0°或者90°单一方向的试样判断更加准确，剪切强度具有较小的偏差。
备注：
按照ANSIY4.5M-1982来阐述图7，并服从下述情况：
（1）所有尺寸以mm表示，而且保留小数情况如下：
没小数的
0.X
0.XX
±3
±1
±0.3
（2）所有角度的偏差为±0.5º
（3）层的方向相对于－A－或－B－的偏差在±0.5º内
（4）切割边的打磨不超过1.6√。
V型槽打磨不超过0.8√（象征符按ANSI/ASMEB46.1-1985，有大致的mm高度）√
（5）为材料、铺层和相对于-A-的层的方向以及试样厚度提供数据，并服从图7所述的范围
图7V型槽轨道剪切试样草图（国际单位制）
图8V型槽轨道剪切试样草图（英制）
8.2.2特殊推荐
8.2.2.1试样厚度——试样的厚度范围由使用者机动选取。
但是如果可能，试样的厚度要求保持在2-5mm[0.080-0.200in]范围内。
8.3材料方向，演示材料如图1定义的六个剪切面的剪切实验时，选取合适的层合板方向，其中纤维和机器方向如图9所示。
备注5：
如1和2轴所在平面内的1-2平面，1-方向代表试样的长度方向（图9中的X-方向）。
图9材料平面取向
8.3.11-2和2-1的剪切性能。
材料在1-2和2-1平面的性能对于层合板是面内性能，测试这些性能的试样可以从[0°]n、[90°]n或者[0°/90°]n的层合板取样，0°方向既可以沿着试样长度方向（图9的X轴方向），又可以沿着加载方向。
但如6.2和6.5中讨论的，单一0°或90°方向层合板是不推荐的。
8.3.21-3和2-3的剪切性能——材料1-3和2-3平面的性能对于层合板来讲是层间性能。
测试试样可以从厚度为56mm[2.20in]样板的[0°]n或[90°]n层合板取样。
厚层合板的加工方法可以有多种。
加工工序8.3.2.1和8.3.2.2是可接受的。
由于胶粘剂会影响结果，加工工序8.3.2.3只在以上两种不能用的情况下使用。
8.3.2.1采用单一的操作来制作最终厚度的板材。
8.3.2.2结合2种或2种以上操作方法完成最后层合板厚度，使用测试截面的预先层合板厚度大于31mm[1.20in]，比对称黏结在56mm层合板两侧的添加层合板厚度大。
8.3.2.3结合有2种或者更多操作方法，使用均匀的薄层胶粘剂，用最小数量的预先固化好的层合板完成厚度为56mm[2.20in]面板厚度。
备注6：
穿过槽口截面的胶粘剂数量和厚度以不影响测试数据为宜，横穿截口截面的所有胶粘剂的累积厚度应不小于试样槽口之间宽度的5％。
8.3.33-1和3-2剪切性能。
材料3-1和3-2平面的性能对于层合板是层间性能。
测试改型能的试样为[0°]n或[90°]n层合板取样，按如下方法准备：
粘接预先固化好的多个层合板，测试区域采用的预先固化好的层合板厚度要求越厚越好（最好超过试样截面的宽度，至少要求6mm[0.25in]），要求在两侧对称粘贴相同材料的层合板来使总长度达到76mm[3.0in]。
8.4试样准备
8.4.1面板制造——控制纤维排列顺序是关键。
不合适的纤维排列方式会影响测试性能。
不稳定的纤维排列方式同样会增加偏差系数。
制造方法需要进行记录。
8.4.2加工方法——试样制备是特别重要的。
试样可以浇铸以防止边缘和切边效应或从平板上切下来。
如果是从平板上切下来的，做好预备工作防止由于不合适的加工方法引起的碎裂、打孔、割裂、表面粗糙或分层现象。
用水润精锯法、车铣法、打磨法得到最终要求尺寸。
对于许多材料来说使用金刚钻头被认为使极为有效的加工方法。
边缘要求平滑，偏差在规定范围内。
8.4.2.1凹槽加工——凹槽加工过程中要避免分层的试样。
用虎钳夹住试样，并在背部加一块伪试样，可以避免加工过程中分层。
机器加工时要凹槽加工必须包括精确加紧试样精确测量。
8.4.3标签——试样标签必须方便试样之间辨别，并能追踪到未加工材料，并用一种既不会在测试过程中破坏又不会影响测试的方法。
9.刻度
9.1所有测量仪器的精确度应该有在当前使用仪器情况下具有刻度保证。
10.条件
10.1树脂基复合材料，除非报告要求不同的测试环境，测试试样的条件要求符合过程C和测试方法D5229/D5229M，并且在标准实验环境下（温度为23±2℃[73.4±3.6℉]相对湿度为50±10％）。
10.2非树脂基复合材料，不需要环境要求。
11加工步骤
11.1在实验前设定好参数：
11.1.1样品试样剪切方法，试样类型和几何尺寸，调节滑动（如果要求）。
11.1.2剪切性能和数据报告格式要求。
备注7：
特殊的材料性能、精确度、数据报告要求必须在测试前予以确定，以选择合适的仪器和数据记录设备。
预先也要评估运行应力和应变程度，以选择合适的应变片、设备刻度和设备备件。
11.1.3测试的环境参数调整
11.1.4如果需要，样品工艺方法、试样尺寸、测试参数来确定密度和增强体的体积含量。
11.2总体说明
11.2.1记录任何偏离于本标准的偏差，无论是有意的还是无意的。
11.2.2从同一小组样品剪切测试中得到的，如果有报告中要求有比重、密度、纤维体积含量或孔隙率，这些性能的试样都必须从剪切测试样板中取样。
比重和密度可以通过测试方法D792来测试。
成分的体积含量可以通过试验方法D3171中的基体消耗程度获得，对于某一种玻璃和陶瓷增强材料，使用测试方法D2584基体烧蚀方法。
测试方法D2734的孔隙率方程在测试方法D2584和基体消耗方法忠都是可行的。
11.2.3在任何条件下，在剪切测试实验之前，测试记录试样凹槽之间的宽度
精确到25
[0.001in]，试样的凹槽部位厚度
，精确到2.5
[0.0001in]。
并计算截面积：
记录试样截面部位面积，A的单位为
[
]。
确定试样凹槽角度、深度、半径满足偏差要求。
11.2.4粘贴应变计，使得应变片方向于加载轴和槽的中心线成+45°和-45°角。
11.3
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