Trabajo de 2003-1

Diagrama de fase FISICO QUIMICA

DIAGRAMA DE FASE

I. INTRODUCCIÓN

Como las propiedades de un material depende del tipo,

número, cantidad y forma de las fases presentes, y

pueden cambiarse alterando estas cantidades, es

esencial conocer:

a) Las condiciones bajo las cuales existen estas

fases y;

b) Las condiciones bajo las cuales ocurrirá un

cambio en la fase.

Si ha acumulado gran información respecto a los

cambios de fase, en muchos sistemas de aleaciones, y

la mejor manera de registrar estos casos es por medio

de diagramas de fase, o también conocido como

diagramas de equilibrio o constitucionales.

Para especificar el estado de equilibrio es necesario

especificar 3 variables independientes, que pueden

controlarse externamente, que son: temperatura,

presión y composición. Si se supone que la presión es

constante con valor atmosférico, entonces nos quedará

en el diagrama temperatura y composición. El diagrama

es una representación gráfica de un sistema de

aleación.

Idealmente, el diagrama de fase deberá mostrar las

relaciones entre las fases bajo condiciones de

equilibrio, o sea, bajo condiciones en las cuales no

Facultad De Ingeniería Geológica Y Metalúrgica


habrá cambio con el tiempo. Las condiciones de

equilibrio pueden ser aproximadas por medio de

calentamiento y enfriamiento extremadamente lentos, de

modo que se tenga tiempo si un cambio de fase está por

ocurrir. En la práctica, los cambios de fase tienden

a ocurrir a temperatura ligeramente mayores o menores,

dependiendo de la rapidez a l que la aleación se

calienta o enfría. La rápida variación en la

temperatura, que puede impedir cambios de fase que

normalmente ocurrirían bajo condiciones de

equilibrios, distorsionará y a veces limitará la

aplicación de estos diagramas.

Las mas importantes aleaciones binarias, las cuales

pueden clasificarse como sigue son:

1. Componentes completamente solubles en estado

líquido:

a. Completamente soluble en estado sólido (tipo

I);

b. Insoluble en estado sólido: la reacción

entéctica (tipo II);

c. Parcialmente soluble en estado sólido: la

reacción entéctica (tipo III);

d. Formación de una fase intermedia de fusión

congruente (tipo IV); y

e. La reacción peritéctica (tipo V)

2. Componentes parcialmente solubles en estado

líquido: la reacción monotéctica (tipo VI)



3. Componentes insolubles en estado líquido e

insolubles en estado sólido (tipo VII)

4. Transformaciones en estado sólido:

a. Cambio alotrópico

b. Orden – desorden

c. La reacción eutectoide, y

d. La reacción peritectoide.

II. Fundamento Teórico

Aleación:

Es una sustancia que tiene propiedades metálicas y

está constituido por dos o más elementos químicos, de

los cuales por lo menos uno es metal. Un sistema de

aleación contiene todas las aleaciones que pueden

formarse por varios elementos combinados en todas las

proporciones posibles.

Las aleaciones pueden clasificarse de acuerdo a su

estructura, en tanto que los sistemas de aleación

completos pueden clasificarse según el tipo de su

equilibrio o de diagrama de fase.

Diagrama de fase

Como las propiedades de un material dependen

ampliamente del tipo, número, cantidad y forma de las

fases presentes, y pueden cambiarse alterando estas

cantidades, es esencial conocer las condiciones bajo

las cuales existen estas fases y las condiciones bajo

las cuales ocurrirá un cambio de fase.



Gran cantidad de información se ha acumulado respecto

a los cambios de fase, en muchos sistemas de

aleaciones, y la mejor manera de registrar los datos

es por medio de diagramas de fase.

Para especificar por completo el estado de un sistema

en equilibrio, es necesario especificar tres variables

independientes, mismas que pueden controlarse

externamente, que son la temperatura, presión y

composición. Si se supone que la presión permanece

constante con valor atmosférico, el diagrama de

equilibrio indicará los cambios estructurales debidos

a la variación de temperatura y composición. El

diagrama es, esencialmente, una representación gráfica

de un sistema de aleación.

La rápida variación en la temperatura, que puede

impedir cambios de fase que normalmente ocurrirían

bajo condiciones de equilibrio, distorsionará y a

veces limitará la aplicación de estos diagramas.

Diagrama de fases eutéctico.

En el diagrama de fase de este tipo, los puntos de

fusión de los 2 metales puros se indican como TA y TB

respectivamente. La línea liquidus es TAETB y la línea

solidus es TAFETB. Las áreas de fases únicas deben

marcarse primero. Por encima de la línea líquidus basy

solo una solución líquida de fase única. En las

aleaciones en este sistema, los cristales de A o B

puro nunca solidifican, sino que siempre solidifican

una aleación o una mezcla de aleaciones. Luego se

marcan las áreas de las fase única alfa y la solución



sólida beta. Como estas soluciones sólidas están

próximas a los ejes, se conocen como soluciones sólida

terminales. Las áreas restantes de dos fases pueden

marcarse como líquido más alfa, líquido más beta y

alfa más beta. En T la solución sólida alfa disuelve

un máximo de 20% de beta, como se muestra en el punto

F, y la solución sólida beta un máximo de 10% de A,

como se aprecia en el punto G. con la disminución de

la temperatura, la cantidad máxima de soluto que puede

disolverse disminuye, como lo indican las líneas FH y

GJ, las cuales se llaman líneas solvus e indican la

solubilidad máxima (solución saturada) de B en la

solución alfa o de A en B (solución beta) como función

de la temperatura. El punto E, donde se intersecan en

un mínimo de líneas liquidus, se conoce como punto

eutéctico.


Líquido(1 fase)

Líquidus

Líquido+

Punto Eutéctico

Líquido + (2 fases)

(1 fase)

Solvus

+ (2 fases)

Solvus Composición porcentaje en peso de B

A 10 20 30 40 50 60 70 80 95 B

Tem

pera

tura

(1

fas

es)

TA

TB

Diagrama de Fase

TE


Líquidus

En un diagrama de fase es el lugar geométrico de todos

los puntos que representan las temperaturas a las

cuales diversas composiciones terminan de congelar al

enfriar o empiezan a fundir al calentar.

Solvus

En un diagrama de fase de equilibrio, es el lugar

geométrico de todos los puntos que representan las

temperaturas a las que diversas composiciones de las

fases sólidas coexisten con otras fases sólidas, es

decir, los límites de solubilidad sólida.

Propiedades de los sistemas de aleación eutéctica

En los sistemas se muestra que hay una relación lineal

entre los constituyentes que aparecen en la

microestructura y la composición de la aleación para

un sistema eutéctico. Esto parecería indicar que las

propiedades físicas y mecánicas de un sistema

eutéctico también deben mostrar una variación lineal,

en la práctica. Sin embargo, es raro encontrar este

comportamiento ideal. Las propiedades de cualquier

aleación multifásica dependen de las características

individuales de las fases y la forma en que estas

últimas se hallan distribuidas en la microestructura.

Esto es particularmente cierto para sistemas de

aleación eutéctica. La resistencia, dureza y

ductibilidad se relacionan con el tamaño, número,

distribución y propiedades de los cristales de ambas

fases.



El aumento de la rapidez de enfriamiento puede

resultar una mezcla autéctica más fina, mayor cantidad

de mezcla eutéctica y granos primarios más pequeños,

los que a su vez influirán.

III. Considerablemente en las propiedades mecánicas.

Plomo:

Entre las principales propiedades del plomo se

encuentran peso elevado, alta densidad, suavidad,

maleabilidad, bajo punto de fusión y baja resistencia

mecánica, además, tiene propiedades de lubricación,

baja conductividad eléctrica, alto coeficiente de

expansión y alta resistencia a la corrosión.

Estaño:

Es un metal blanco y suave que tiene resistencia a la

corrosión y buenas propiedades de lubricación. Sufre

una transformación polimórfica desde la estructura

normal tetragonal (estaño blanco) hasta una forma

cúbica (estaño gris) a una temperatura de 55.8°F. Esta

transformación se acompaña de un cambio en densidad

desde 7.30 hasta 5.75, y la expansión resultante da

lugar a la desintegración del metal a un polvo grueso;

sin embargo la transformación es muy lenta y se

necesita un considerable subenfriamiento para

iniciarla. Las impurezas comunes en el estaño tienden

a retrasar o inhibir el cambio, así que, en

condiciones ordinarias, la transformación no tiene

importancia práctica.



Sistema plomo – estaño

Es un sistema eutéctico simple con el punto eutéctico

localizado en 61.9% de estaño y 361°F. aunque las

aleaciones plomo – estaño se utiliza más por su

característica de fusión, como en soldadura, el estaño

también incrementa la dureza y la resistencia.

Las aleaciones que contienen 61.9% de Sn tiene la

composición eutéctica. Por encima de 183°C la aleación

es totalmente líquida y por ello debe contener 61.9%

de Sn. Después de que el líquido se enfría a 183°C se

inicia la reacción eutéctica.

Se forman dos soluciones alfa y beta, durante las

reacciones eutéctias las composiciones de las dos

soluciones sólidas están representadas por los

extremos de las líneas eutécticas.

Durante la solidificación, el crecimiento del

eutéctico requiere tanto la remoción del calor latente

de fusión como de la redistribución de los dos tipos

de átomo por difusión puesto que la solidificación

ocurre completamente a 183°C, la curva de enfriamiento

es similar a la de un metal puro, esto es una meseta

térmica y ocurre a la temperatura eutéctica. Para que

los átomos se redistribuirán durante la solidificación

eutéctica, se debe desarrollar una microestructura

característca. En el sistema plomo – estaño, las fases

sólids alfa y beta forman al líquido en un arreglo

laminar o de plata. La estructura laminar permite a

los átomos de Pb y Sn moverse a través del líquido, en



el cual es fácil la difusión, sin tener que

desplazarse una fase considerable.

El producto de la reacción es única y característica

de las 2 fases sólidas llamadas microcunstituyentes

eutécticas en la aleación Pb – 61.9% Sn. Se forma el

100% de microconstituyentes eutéctico puesto que todo

líquido pasa a través de la reacción.

Cuando se enfría aleación que contiene entre el 19.2%

- 61.9% de Sn, el líquido se empieza a solidificar a

la temperatura del líquido. Sin embargo la

solidificación se completa por medio de la reacción

eutéctica. Esta secuencia de solidificación ocurre

cada vez que la línea vertical correspondiente a la

composición original a la aleación cruza tanto los

líquidos como el eutéctico.

Las aleaciones con composición entre 19.2% - 61.9% de Sn, se denominan aleaciones bipoeutécticos o aleaciones que contienen menos de la cantidad eutéctica de estaño. Una aleación a la derecha de la composición eutéctica entre el 61.9% y el 97.5% de Sn, es bipereutéctica.



IV. COORDENADA DE LOS DIAGRAMAS DE FASE

Por lo general se grafican con la temperatura (°C, °F)

como la ordenacia y la composición de la aleación

(como porcentaje en peso), como la abscisa. Para

ciertas investigaciones científicas, se expresa la

composición en porcentaje atómico.

Independientemente de la escala escogida para la

temperatura o la composición, no habrá diferencia en

la forma del diagrama de fase resultante.

V. METODOS EXPERIMENTALES

Los datos para construir diagramas de equilibrio se

determinan experimentalmente por diversos métodos,

entre los cuales los más comunes son:

Análisis Térmico: Este es el método más usado,

cuando se hace un diagrama de temperatura contra

tiempo, a composición constante, la curva mostrará



un cambio de pendiente cuando ocurre un cambio de

fase. Este método parece ser mejor par determinar

la temperatura de solidificación inicial y final.

Métodos Metalográficos. Estos consisten en

calentar muestras de una aleación a diferentes

temperaturas, esperando que el equilibrio se

establezca y entonces se enfrían rápidamente para

retener su estructura de alta temperatura.

Entonces las muestras se analizan al microscopio.

Es complicado aplicar este método a metales a

altas temperaturas, ya que las muestras enfriadas

rápidamente no siempre retienen su estructura de

alta temperatura.

Difracción de Rayos X. Este método mide las

dimensiones de la red, indicada la aparición de

una nueva fase, ya sea por el cambio en las

dimensiones de la red o por la aparición de una

nueva estructura cristalina.

Conceptos Previos

Línea Líquidus. Es la línea superior, obtenida al unir

los puntos que muestran el inicio de la solidificación.

Línea solidus. Es la línea inferior, obtenida al unir

los puntos que muestran el final de la solidificación.



Al marcar diagramas de equilibrio, es una práctica

común representar las solucione sólidas y algunas

veces las aleaciones intermedias con letras

griegas. Las letras mayúsculas, como A y B, se

usarán para representar los metales puros.

Algunas veces es deseable conocer la composición

química real y las cantidades relativos de los dos

fases presentes. Para determinar esta información,

es necesario aplicar dos reglas.

Regla I: Composición Química de las fases. Para

determinar la composición química real de las fases de

una aleación, en equilibrio a cualquier temperatura

específica en una región bifásica, se traza una línea

horizontal para la temperatura, llamada línea vínculo,

a las fronteras del campo. Estos puntos de

intersección se abaten a la línea base y la composición

se lee directamente.



En la fig. a, considérese una aleación constituida por

80 A – 20 B a la temperatura T. Se encuentra en una

región de dos fases. Aplicando la regla I; se dibuja

la línea vínculo “mo” a las fronteras del campo. El

punto “m”, la intersección de la línea vínculo con la

línea sólidos, cuando se abate a la línea base, da la

composición de la fase que existe en esa frontera. En

este caso, la fase es la solución sólida a de

composición 90 A – 10 B. Asimismo, el punto “O”,

cuando se abate a la línea base, dará la composición de

la otra fase que constituye la mezcla, en este caso,

la composición de la solución líquida es 74 A – 26 B.

Regla II. Cantidades relativas de cada fase. Para

determinar las cantidades relativas de las dos fases en

equilibrio, a cualquier temperatura específica en una

región bifásica, se traza una línea vertical que


Líquido

(1 fase)

Líquidus

Líquido

+

Punto

Eutéctico

Líquido +

(2 fases)

(1 fase)

Solvus

+

(2 fases)

Solvus Composición porcentaje en peso de B

A 10 20 30 40 50 60 70 80 95 B

Tem

pera

tura

(1 f

ases

)

TA

TB

Diagrama de Fase

TE


representa la aleación y una línea horizontal (como la

temperatura), a los límites del campo. La línea

vertical divide a la horizontal en dos partes cuyas

longitudes son inversamente proporcional a la cantidad

de fases presentes. Esta también se conoce como regla

de la palanca. El punto donde la línea vertical

intersecta a la horizontal se considerará como el

fulcro, o eje de oscilación. Las longitudes relativas

de los brazos de palanca multiplicadas por las

cantidades de fases presentes deben balancearse.

En la figura a, la línea vertical, es la aleación 20 B,

divide a la línea horizontal en dos partes: mn y no.

Si se toma mo para representar el 100%, el peso total

de las dos fases presentes a T, la regla de la palanca

puede expresarse como:

Líquido (porcentaje) = x 100

(porcentaje) = x 100

Si la línea vínculo se elimina del diagrama fase y se

insertan lo valores numéricos, esta aparecerá como se

muestra en la Fig. b. Al aplicar las ecuaciones

mencionadas en el párrafo anterior, se tiene:

Líquido (porcentaje) = x100 = 62.5%

(porcentaje) = x 100 = 37.5%

Para resumir ambas reglas, la aleación de composición

80 A – 20 B a la temperatura T consta de una mezcla de



dos fases. Una es una solución líquida de composición

74 A – 26 B que constituye el 62.5% de todo el material

presente y la otra una solución sólida de composición

20 A – 10 B que comprende hasta el 37.5% de todo el

material presente.

Lo que se ha realizado en el laboratorio es del tipo

III.

Tipo III. Dos metales completamente solubles en el

estado líquido, pero sólo parcialmente solubles en el

estado sólido.

Este tipo es el más común y por tanto, el más

importante sistema de aleación. El diagrama de fase de

este tipo se muestra en la Fig. 1. los puntos de

fusión de los dos metales puros se indican en los

puntos TA y TB, respectivamente. La línea líquidos es

TA ETB y la línea sólidos es TA FEGTB. Las áreas de fase

única deben marcarse primero. Por encima de la línea

líquidos hay sólo una solución líquida de fase única.

En los puntos de fusión, donde se intersectan las

líneas líquidas y sólidas, el diagrama es semejante a

uno en forma de puro del tipo I (solubilidad sólida

completa), y como estos metales son solubles

parcialmente en el estado sólido, debe formarse una

solución sólida. En las aleaciones en este sistema,

los cristales de A puro o de B puro nunca solidifican,

sino que siempre solidifican una aleación o una mezcla

de soluciones. Ahora pueden marcarse las áreas de la

fase única y de la solución sólida . Como estas

soluciones sólidas están próximas a los ejes, se



conocen como soluciones sólidas terminales. Las áreas

restantes de dos fases pueden marcarse ahora como

líquido +, líquido +. En TE, la solución sólida

disuelve un máximo de 20% de B, como se muestra en el

punto F, y la solución sólida B una máxima de 10% de A,

como se ve en el punto G. Con la disminución de la

temperatura, la cantidad máxima de soluto que puede

disolverse disminuye, como lo indican las líneas FH y

GI, las cuales se llaman líneas solvus e indican la

solubilidad máxima (solución saturada) de B en A

(solución ) o de A en B (solución ) como función de

la temperatura. El punto E, donde se intersectan en un

mínimo las líneas líquidos, como en el tipo II, se

conoce como el punto eutéctico. Ahora se estudairá el

entramiento lento de varias aleaciones.

La aleación 1 (Fig. 2). Constituida por 95 A – 5 B,

cuando se enfría lentamente sigue un proceso

exactamente igual al de cualquier aleación del tipo I.

Cuando la línea líquida se cruza en T1, comenzará a

solidificar, formando cristales de solución sólida

extremadamente ricos en A. Este proceso continúa, con

el líquido haciéndose más rico en B y moviéndose hacia

abajo gradualmente a lo largo de la línea líquidus. La

solución sólida , también haciéndose más rica en B, se

mueve hacia abajo a lo largo de la línea solidus.

Cuando finalmente la línea solidus se cruza en T4 y con

la difusión conservando el mismo ritmo con el

crecimiento del cristal, el sólido total será una

solución sólida homogénea y permanecerá de esa manera

hasta llegar a la temperatura ambiente. La figura



muestra el proceso de solidificación y la curva de

enfriamiento para esta aleación.

La aleación 2, 30 A – 70 B, es la composición eutéctica

y permanece líquida hasta que la temperatura eutéctica

se alcanza en el punto E. Como ésta es también la

línea solidus, el líquido sufre ahora la reacción

eutéctica, a temperatura constante, formando una mezcla

muy fina de dos sólidos. Los sólidos que forman

eutéctica están dados por los extremos de la línea de

temperatura eutéctica composición F y de composición

G. La reacción eutéctica puede escribirse

Esta reacción es la misma que ocurrió en el diagrama

del tipo II, excepto sustitución de soluciones sólidas

por metales puros. Las cantidades relativas y en la

mezcla autéctica pueden determinarse mediante la regla

II (regla palanca):



Debido al cambio de la solubilidad de B en A (línea

FH) y de A en B (línea habrá un ligero cambio en las

cantidades relativas de y de cuando la aleación

enfríe a temperatura ambiente. Las cantidades

relativas de y a temperatura ambiente son:

La figura muestra la mezcla autéctica. Nótese la

semejanza que hay entre esta figura y la mezcla

eutéctica formada del tipo II. Desde el punto de

vista microscópico, no es posible decir si la mezcla

eutéctica esta formada por dos solucione sólidas o por

dos metales puros.

La aleación 3, 60 A – 40 B, permanece líquida hasta

que la línea liquidus se alcanza en T3. El líquido

empieza a solidificar cristales de solución sólida

primaria o proeutéctica muy rica en A. A medida que

la temperatura disminuye, el líquido se hace más rico

en B, moviéndose gradualmente hacia abajo y a la

derecha a lo largo de la línea liquidus hasta que

alcanza el punto E. Al examinar las condiciones que



existen arriba de la temperatura eutéctica TE, se ve

que hay dos fases:

Fases Líquida primaria

Composición química 30 A – 70 B 80 A – 20 B

Cantidades relativas 40% 60%

Como el líquido restante (40%) está en el punto E, la

temperatura y composición correctas para formar la

mezcla eutéctica, ahora se solidifica, formando

alternativamente cristales de y de la composición

que aparece en los extremos de la línea de temperatura

eutéctica (puntos F y G). La temperatura no desciende

hasta que la solificación termina, y cuando lo está, la

microestructura aparece como se muestra en la figura.

Nótese la semejanza en microestructuras que existe

entre esta aleación y la figura. A medida que la

aleación se enfría a temperatura ambiente por el cambio

en solubilidad indicada por la línea de solvus FH,

algún exceso de se precipita de la solución. El

proceso de solidificación y la curva de enfriamiento

para esta aleación se muestra en la figura.

La aleación 4, 85 A – 15 B, sigue el mismo proceso

descrito para la aleación 1. la figura muestra la

microestructura a varias temperaturas y la curva de

enfriamiento para esta aleación. La solidificación

empieza en T2 y termina en T5, cuyo sólido resultante

es una fase homogénea única: la solución . En el

punto M, la solución es insaturada. La línea solvus

FH, como se explicó anteriormente, muestra el



decremento en solubilidad de B en A con la disminución

de temperatura. A medida que la solución se enfría, la

línea de solvus se alcanza en el punto N. La solución

se satura ahora de B. Debajo de esta temperatura, en

condiciones de enfriamiento lento, el exceso de B debe

salir de la solución. Como A es soluble en B, el

precipitado no sale como el metal puro B, sino como la

solución sólida . A temperatura ambiente, la aleación

consistirá, grandemente, en , con una pequeña cantidad

en exceso de , principalmente a lo largo de las

fronteras de grano. El lector debe determinar la

cantidad en exceso de mediante la regla de la palanca

en la línea HJ.

Si la fase es relativamente frágil, la aleación no

será muy fuerte o dúctil. La resistencia de una

aleación en gran medida está determinada por la fase

continua por toda la aleación. En este caso, aunque la

solución constituye sólo alrededor del 5% de la

aleación, existe como una red continua a lo largo de la

fronteras de grano. Por tanto, la aleación tenderá a

romperse a lo largo de estas fronteras; sin embargo,

esta aleación puede sufrir un cambio significativo en

resistencia y dureza después de tratarse térmicamente

en forma adecuada.

La figura muestra el diagrama de equilibrio plomo –

estaño y fotomicrografías de varias aleaciones en este

sistema. La aleación 1 con 70% de estaño, está a la

derecha de la composoción eutéctica. La

microestructura consta de dendritas primarias

(blanco) rodeadas por la mezcla autéctica. La aleación



2 es la composición eutéctica y consta por completo de

una mezcla muy fina de soluciones sólidas y . Por

su parte, las aleaciones 3 y 4, con 60 y 50% de estaño,

respectivamente, consta de dendritas de la solución

sólida primaria rica en plomo (negro), rodeada por la

mezcla eutéctica, y la cantidad de aumenta a medida

que la composición se mueve a la izquierda.



CONCLUSIONES

- Se observa una diferencia entre el

punto eutéctico experimental con el teórico, se debe

a que los metales empleados tienen impurezas, y por

descuido del operador que no toma los datos en su

debido tiempo.

- Nótese que sobre un amplio intervalo

de composiciones, una porción dela curva de

enfriamiento que muestra el final de la

solidificación se presenta a una temperatura fija.

Esta línea horizontal más baja es TE, se conoce como

temperatura eutectica.

- El diagrama de fase obtenido de la

aleación binaria Pb Sn se muestra como una placa

superpuesta sobre el diagrama teórico. En el diagrama

experimental observamos que la línea de liquidus está

por debajo de la teórica y que la línea de solidus no

es exactamente una recta.

- Este sistema es la base de las

aleaciones más usadas para la soldadura.

RECOMENDACIONES

- De los resultados obtenidos en las

gráficas de las curcas de enfriamiento en algunas

aleaciones no se pudo encontrar fácilmente los puntos

que representa la temperatura en los cuales las



diversas composiciones empiezan a congelar, es decir

la línea de liquidus. Esto se debió a la mala

estabilización de la temperatura en el proceso de

aleación es por eso recomendable lograr una buena

estabilización de la temperatura para que así el

enfriamiento del sistema nos arroje buenos resultados.

- Es recomendable tener la mayor

cantidad de curvas de enfriamiento, para que se

asemeje más al diagrama de fases teórico.

BIBLIOGRAFIA

- Sydney H. Avner

Introducción a la Metalurgia Física

Cap. VI

- Adamson

Química Física

- Gilbert W. Castellan

Físico – Química


Trabajo de 2003-1

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