冷轧加工率对5182-O_铝合金汽车板性能和织构的影响

精 密 成 形 工 程
第16卷 第5期 124
JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 2024年5月
收稿日期：2024-01-15 Received ：2024-01-15
基金项目：山东省重点研发计划（2021SFGC1001）
Fund ：Key R&D Program of Shandong Province (2021SFGC1001) 引文格式：李涛, 孟双, 徐志远, 等. 冷轧加工率对5182-O 铝合金汽车板性能和织构的影响[J]. 精密成形工程, 2024, 16(5): 124-131.
LI Tao, MENG Shuang, XU Zhiyuan, et al. Effect of Cold Rolling Reduction Rate on Texture and Mechanical Property of 5182-O Aluminum Alloy Used in Automotive Sheets[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(5): 124-131. *通信作者（Corresponding author ） 冷轧加工率对5182-O 铝合金汽车板性能和
织构的影响
李涛*，孟双，徐志远，杨立民，迟蕊，刘明诏，徐扬帆
（山东南山铝业股份有限公司 南山铝业板带事业部，山东 龙口 265713）
摘要：目的 研究冷轧变形量对5182铝合金汽车板力学性能、塑性应变比、金相及织构的影响，系统解释5182铝合金汽车板的强化机理和成形性变化机理。

方法 采用X 射线衍射仪、金相显微镜和万能拉伸试验机研究不同冷轧加工率下5182-O 铝合金的力学性能和显微组织变化规律。

结果 50%和75%冷轧加工率的样品强度无明显差异，25%冷轧加工率的样品偏低约3 MPa 。

塑性应变比加权平均值r m 随冷轧加工率的增大而减小，几乎呈线性关系，塑性应变比各向异性度Δr 则先减小后增大，延伸率和应变硬化指数则无明显差异。

当冷轧加工率从25%增至50%时，平均晶粒尺寸减小了约24%，当冷轧加工率从50%增至75%时，平均晶粒尺寸仅减小了1~2 μm 。

不同冷轧加工率下的5182铝合金连退再结晶后均表现出较弱的织构强度，Cube 织构未占主导地位，仍保留了较多的轧制织构。

S 、Copper 和Brass 织构的体积分数随冷轧加工率的增大而有所减小，Goss 和Q 织构的占比有所增大，Cube 织构的占比则变化不大。

结论 冷轧加工率影响了5182-O 铝合金汽车板连退后的晶粒尺寸，进而改变了强度。

晶粒尺寸和屈服强度的关系符合经典Hall-Petch 以及新Hall-Petch 关系式。

受不同再结晶形核机制竞争关系的影响，轧制织构随冷轧加工率的增大而稍有减少，导致45°方向的塑性应变比和r m 逐渐减小，Δr 则先减小后增大。

关键词：5182铝合金；冷轧；强度；塑性应变比；织构
DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.05.014
中图分类号：TG146.21 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)05-0124-08
Effect of Cold Rolling Reduction Rate on Texture and Mechanical Property of
5182-O Aluminum Alloy Used in Automotive Sheets
LI Tao *, MENG Shuang , XU Zhiyuan , YANG Limin , CHI Rui , LIU Mingzhao , XU Yangfan
(Nanshan Aluminum Flat-rolled Product Division, Shandong Nanshan Aluminum Co., Ltd., Shandong Longkou 265713, China) ABSTRACT: The work aims to study the effects of cold rolling reduction rates on the mechanical property, plastic strain ratio, metallography, and texture of 5182 aluminum alloy used in automotive sheets, and systematically explain the strengthening mechanism and formability change mechanism of 5182 aluminum alloy automotive sheets. The mechanical property and micro-
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structure of 5182-O aluminum alloy were studied by X-ray diffractometer, metallographic microscope, and universal tensile testing machine. There was little difference in strength between samples with 50% and 75% cold rolling reduction rates, and the strength of the sample with 25% cold rolling reduction rate was about 3 MPa lower than that of other samples. The weighted av-erage of plastic strain ratio r m value decreased almost linearly with the increase of the cold rolling reduction rate, while the de-gree of planar anisotropy of plastic strain ratio Δr value decreased first and then increased. There was little difference in elonga-tion and strain hardening index between different cold rolling reduction rates. When the cold rolling reduction rate increased from 25% to 50%, the average grain size decreased by about 24%, and when the cold rolling reduction rate increased from 50% to 75%, the average grain size decreased by only 1-2 μm. The 5182 aluminum alloy samples at different cold rolling reduction rates showed weak texture strength after recrystallization. The Cube texture was not dominant, and retained much rolling tex-tures. The volume fraction of S, Copper and Brass texture decreased with the increase of the cold rolling reduction rate, while the proportion of Goss and Q texture increased, and there was little change in the proportion of Cube texture. The strength of 5182-O aluminum alloy automotive sheets is changed by the influence of the cold rolling reduction rate on grain size. The rela-tionship between grain size and yield strength is in good agreement with the classical and the novel Hall-Petch relations. Af-fected by the competition between different recrystallization nucleation mechanisms, the rolling texture decreases slightly with the increase of the cold rolling reduction rate, which resulting in the decrease of the plastic strain ratio in the 45° direction and r m.
Δr decreases first and then increases.
KEY WORDS: 5182 aluminum alloy; cold rolling; strength; plastic strain ratio; texture
近年来，新能源汽车因具有高效节能、绿色环保等优势而发展迅速，为了进一步提高新能源汽车的续航能力并降低排放，汽车轻量化获得了广泛关注。

铝因具有高比强度、良好的耐蚀性和成形性而成为车身减重的理想材料，广泛应用于车身内外覆盖件和结构件中[1-4]。

5182铝合金具有良好的成形性，但因其变形后表面会出现明显的吕德斯带外观缺陷而无法应用在汽车外覆盖件中[5-6]，主要应用于内覆盖件和结构件中。

近2~3年，汽车行业发展迅速，新车企、新平台和新车型层出不穷，汽车部件的设计和制造也发生着巨变，铝合金零部件的形状趋于多样化和复杂化。

在使用过程中，首先需要对5182铝合金汽车板进行冲压成形，其强度、成形性和表面质量是铝板厂家和车企关注的重点。

韩俊超等[7]和杨刚等[8]对现有5182铝合金进行了成形性能表征。

冯瑶等[9]结合拉伸实验和Dynaform有限元仿真对5182铝合金引擎盖内板充液成形工艺进行了优化。

徐朝鹏[10]利用有限元分析软件建立了5182铝合金某装备外护板覆盖件的有限元模型，并在Autoform中进行了冲压成形过程的仿真。

在5182铝合金汽车板性能组织方面，Mofarrehi等[11]研究了Mn含量对Al-Mg-Mn合金热变形行为和组织演变的影响。

王华中[12]研究了不同冷轧加工率对冷轧态5182汽车板组织及性能的影响，发现随着冷轧变形率的增大，强度逐渐升高，延伸率先升高后下降。

隋欣等[13]研究了不同冷轧加工率和退火制度对5182-O汽车力学性能和晶粒尺寸的影响规律，并给出了较佳的冷轧加工率和退火制度。

雷秀川[14]从二维及三维角度探究了5182合金变形量对PSN机制的影响。

此外，5182铝合金汽车板冲压成形后会以焊接、胶粘或铆接等方式与其他车身零件进行连接，相关的应用性研究也获得了广泛关注[15-19]。

现有研究多关注5182铝合金汽车板在冲压成形应用方面的表现，对5182铝合金汽车板组织、性能变化规律的研究相对较少且不够深入，尚未有详细报道5182铝合金汽车板强化机理和成形性变化机制的研究。

本文基于工业化生产条件，对不同冷轧加工率下5182-O铝合金汽车板的性能、塑性应变比r值、金相及织构进行了系统性实验研究，阐述了5182-O 铝合金汽车板的强化机理和再结晶形核机理，以期为工业化生产开发不同强度和成形性的5182-O铝合金汽车板提供理论基础。

1 实验
实验所用原材料为工业化生产制得的620 mm× 1 600 mm×8 000 mm大尺寸5182合金扁锭，合金成分如表1所示。

扁锭经过铣面、均质后热轧至厚度为6 mm和3 mm的热轧卷，随后经过3种不同冷轧工艺获得最终厚度为1.5 mm的冷轧卷。

1#样品的冷轧过程为将3.0 mm的热轧卷先冷轧至2.0 mm厚度，然后在温度380 ℃下保温2 h进行中间完全退火，随后轧至1.5 mm的成品厚度。

2#样品冷轧过程为先轧至2.0 mm，再轧至1.5 mm的成品厚度，无中间退火过程。

3#样品的冷轧过程为将6.0 mm的热轧卷经过4个道次冷轧至1.5 mm的成品厚度，无中间退火过程。

具体冷轧工艺参数如表2所示。

按照ASTM B557M—15（R2023）标准，使用铣床加工力学性能试样，以保证样品边缘光滑无毛刺，标距为50 mm。

按与轧制方向呈0°、45°和90°进行
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表1 5182合金化学成分
Tab.1 Chemical composition of 5182 aluminum alloy wt.% Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al
0.09 0.20 0.07 0.32 4.71 0.01 0.04 0.02 Bal.
表2 不同样品的冷轧工艺
Tab.2 Cold rolling process for different samples
Sample No. Cold rolling pass/mm Intermediate annealing Cold rolling reduction rate/% 1# 3.0-2.0-Interannealing-1.5 380
/2
h
℃ 25 2# 3.0-2.0-1.5 50
3# 6.0-4.3-2.95-2.1-1.5 75
取样检测。

按照ASTM B557M—15（R2023）标准检测抗拉强度和屈服强度，按照ASTM E8/E8M—22标准检测延伸率，按照ASTM E517—19标准检测r值（检测应变为8%~12%时的r值，即r8%-12%），按照ASTM E646—16标准检测应变硬化指数n值（检测应变为10%~20%时的n值，即n10%-20%）。

按照GB/T 3246.1—2012进行金相检测，检测样品表面、纵截面和横截面3个位置。

将磨抛后的金相样品进行阳极覆膜，覆膜液为氟硼酸溶液，温度为10~30 ℃，电压为15~25 V，时间为80~120 s。

在光学显微镜的偏光模式下观察覆膜后的金相样品。

力学性能和金相检测取样位置如图1所示。

使用Rigaku Ultima IV X射线衍射仪设备进行样品表面位置的织构检测。

图1 力学性能和金相测试取样位置示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling locations for
mechanical properties and metallographic tests 2 结果与分析
2.1 冷轧加工率对5182-O铝合金汽车板力
学性能的影响
不同冷轧加工率的5182铝合金经连退热处理后各方向力学性能的测试结果如表3所示，其中，塑性应变比加权平均值r m的计算公式为(r0+2r45+r90)/4，塑性应变比各向异性度Δr的计算公式为(r0+r90−2r45)/2，其中r0、r45、r90分别表示0°、45°和90°方向的r值。

在强度方面，2#和3#样品强度无明显差异，1#样品偏低约3 MPa，3个样品的延伸率和n值无明显差异。

如图2所示，r m随冷轧加工率的增大而逐渐减小，二者几乎呈线性关系，而Δr则先减小后增大。

各方向r值的变化是导致r m和Δr呈上述变化规律的原因：随着冷轧加工率的增大，r45逐渐减小，r0变化较小，r90在75%和50%冷轧加工率时无明显区别，在冷轧加工率降低至25%后则有所增大。

说明冷轧加工率通过对再结晶后板材r45值的显著影响，使5182-O铝合金汽车板的成形性发生变化，50%冷轧加工率的5182-O铝合金汽车板兼具较高的r m和最低的Δr。

高r值意味着材料在发生变形时不容易变薄，开裂的倾向更低，即具有更好的成形性能[20-21]。

但Δr值越高，材料在不同方向上的成形能力差异越大，材料
表3 不同冷轧加工率5182-O铝合金汽车板的力学性能
Tab.3 Mechanical properties of 5182-O aluminum alloy automotive sheets at different cold rolling reduction rates
Sample No. Direction
Tensile
strength/MPa
Yield
strength/MPa
Elongation/%
Uniform elon-
gation/%
n10%-20%r8%-12%r mΔr 0° 127 272 27.2 20.7 0.296 9 0.644 9
45° 119 268 29.5 25.7 0.293 8 0.780 6
1#
90° 122 271 26.9 22.4 0.292 8 0.685 6
0.722 9−0.115 4
0° 128 277 26.1 22.8 0.286 9 0.698 2
45° 124 270 27.7 22.5 0.296 7 0.684 5
2#
90° 125 271 26.8 24.6 0.294 4 0.624 8
0.673 0−0.023 0
0° 131 278 27.3 22.6 0.295 3 0.666 4
45° 125 272 26.3 23.4 0.296 6 0.594 1
3#
90° 124 270 27.6 20.5 0.298 3 0.615 6
0.617 60.046 9
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图2 不同冷轧加工率下5182-O 铝合金汽车板的r 值
Fig.2 r -value of 5182-O aluminum alloy automotive sheets at different cold rolling reduction rates
各向异性越大，在特定方向越容易出现成形开裂问题。

2.2 冷轧加工率对5182-O 铝合金汽车板
晶粒尺寸的影响及其强化机理
不同冷轧加工率下5182铝合金经连退热处理后的表、纵、横位置金相组织及晶粒尺寸数据分别如图3和表4所示。

不同冷轧加工率的样品经连退退火后均已发生完全再结晶，随着冷轧加工率的增大，晶粒尺寸逐渐细化。

冷轧加工率与5182-O 铝合金汽车板表、纵、横不同位置晶粒尺寸的关系如图4a 所示。

当冷轧加工率从25%增至50%时，平均晶粒尺寸细化明显，约减小了6 μm ，当冷轧加工率从50%增至75%时，平均晶粒尺寸仅减小了1~2 μm 。

在相同冷轧加工率下各位置的晶粒尺寸变化较小。

冷轧加工率的增大使合金中产生了更多的位错，可为后续再结晶过程提供更多的形核点，同时还可以降低颗粒诱导形核（Particle Stimulated Nucleation ，PSN ）方式中形核颗粒的临界尺寸，提高PSN 形核效率，从而细化5182-O 铝合金汽车板成品晶粒尺寸。

Al-Mg 合金属于不可热处理强化合金，其强化方式主要包含加工硬化、固溶强化和细晶强化。

为提高5182铝合金的成形性，5182铝合金汽车板在最后加工工序将进行完全退火以消除冷轧带来的加工硬化。

因此，决定其最终强度的主要方式是固溶强化和细晶强化。

根据Hall-Petch 关系，σy =σ0+kd −1/2（其中σy 为合金的屈服强度，σ0为位错移动时受到的晶格阻力，k 为常数，代表晶粒尺寸敏感性，d 为平均晶粒尺寸），细化晶粒会带来更高的材料强度。

因为在相同体积的材料中，晶粒越细小意味着晶界比重越大，它对位错移动的阻力越大。

此外，大晶粒中可储存更多的位错，这些位错塞积对位错在晶粒之间的移动提供了驱动力，即大晶粒中的位错移动比小晶粒中的容易。

Hall-Petch 关系式中σ0和k 的物理本质一直是材料科学家们关注的焦点，Malopheyev 等[22]认为，σ0是指位错移动所受晶格阻力中由固溶强化所带来的
强度。

Huskins 等[23]计算出当Mg 质量分数为4.77%时，经固溶强化后5083合金的强度为102 MPa 。

Jiang 等[24]
通过数据驱动的机器学习方法，挖掘出传统Hall-Petch 关系式中拟合常数σ0和k 的内在因素。

揭
示了影响σ0的关键物理量是价电子距离（S ）
、内聚能（W ）和线性热膨胀系数（l t ）
；影响k 的关键物理量是晶界界面能（γ）、弹性模量（E ）和线性热膨胀
系数（l t ），并提出了一个新的Hall-Petch 模型：σy =79W /(S 3l t 0.5
)+1.2(γE /l t )0.5d −0.5。

新模型中没有需要实验拟合的常数项，而是利用已知关键物理量结合晶粒尺寸直接预测多晶金属的屈服强度。

利用该模型及Al 的相关物理量计算出纯铝的晶粒尺寸与屈服强度的关系式为σy =10+88d −0.5。

结合文献[23]中计算的Mg 质量分数为4.77%时的5083合金固溶强化强度102 MPa ，得到5083合金的新Hall-Petch 关系式为σy =112+88d −0.5。

不同冷轧加工率下5182-O 铝合金汽车板实测的平均晶粒尺寸与实测屈服强度、纯铝屈服强度以及5083合金的屈服强度Hall-Petch 拟合线图如图4b 所示。

可以看出，在不同拟合方式下，晶粒尺寸d −1/2与屈服强度均具有明显的线性关系，且本研究中5182-O 铝合金汽车板的强度与5083合金[23]使用新Hall-Petch 关系式拟合得到的屈服强度较为相近（低约6 MPa ）。

强度的微小差异可以认为主要是由合金成分的差异导致的，本研究中Mg 和Mn 的质量分数分别为4.71%和0.32%，而5083铝合金中Mg 和Mn 的质量分数分别为4.77%和0.68%[23]，本研究5182-O 铝合金汽车板中Mg 和Mn 的含量均较低。

其他未检测的微量元素差异也可能导致强度产生差异。

2.3 冷轧加工率对5182-O 铝合金汽车板
织构的影响
不同冷轧加工率的5182铝合金经连退热处理后的取向分布函数图（Orientation Distribution Function ，ODF ）如图5所示，各样品的织构类型及含量如表5所示。

可以看到，ODF 图中最大取向密度数值不高，
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图3 不同冷轧加工率5182-O 铝合金汽车板的金相照片
Fig.3 Metallograph of 5182-O aluminum alloy automotive sheet at different cold rolling reduction rates: a) surface (25%);
b) longitudinal (25%); c) transverse (25%); d) surface (50%); e) longitudinal (50%); f) transverse (50%);
g) surface (75%); h) longitudinal (75%); i) transverse (75%)
表4 不同冷轧加工率5182-O 铝合金汽车板的晶粒尺寸 Tab.4 Grain size of 5182-O aluminum alloy automotive
sheets at different cold rolling reduction rates
Grain size/μm Sample
No. Surface Longitudinal Transverse Average
1# 26.59 24.79 25.22 25.53
2#
20.04 19.00 19.12 19.39
3# 17.95 17.95 18.28 18.06
且各样品中的立方织构和主要轧制织构的体积分数为5%~7%。

说明不同冷轧加工率下的5182铝合金连退再结晶后的样品均表现出较弱的织构强度，Cube
再结晶织构未占主导地位。

这主要有两方面的原因：
一是由于高Mg 合金中存在大量的Mg 2Si 和含铁相粒
子，PSN 成为其再结晶过程主要的形核机制之一[25]，而PSN 具有弱化立方织构和提高随机取向晶粒比例
的作用；二是由于高Mg 合金中固溶Mg 原子的钉扎
图4 不同冷轧加工率5182-O 铝合金汽车板的平均晶粒尺寸及Hall-Petch 关系
Fig.4 Average grain size and Hall-Petch equation of 5182-O aluminum alloy automotive sheets at different cold rolling reduction rates: a) relationship between cold rolling reduction rate and gran size; b) relationship between grain size and yield strength
第16卷第5期李涛，等：冷轧加工率对5182-O铝合金汽车板性能和织构的影响129
作用阻碍了冷轧变形过程中位错的动态回复，使冷轧变形后的高Mg合金中存在大量位错和剪切带，而剪切带会切断冷轧变形后组织中的Cube取向晶粒带，从而在一定程度上抑制了Cube织构的形成，促进了再结晶晶粒取向的随机化[26-29]。

当剪切带存在时，Goss、Q等取向的晶粒会在剪切带上形核。

从图5和表5均可看出，随着冷轧加工率从25%增至75%，Goss和Q织构的占比有所增大，说明剪切带位置的形核能力随冷轧加工率的增大而增强。

材料的织构组成决定了其各方向的r值，Qin等[30]通过理论计算了各理想晶体0°、45°和90°方向的r 值。

从表5可以看到，不同冷轧加工率的5182铝合金经连退热处理后，仍然保留了较多的轧制织构，S、Copper和Brass织构的体积分数随冷轧加工率的增大而减小，这正是r45和r m随冷轧加工率的增大而减小的原因，与图2a所示内容一致。

这是因为当冷轧压下量较低时，应变诱导晶界迁移（Stain-Induced Grain Boundary Migration，SIBM）即晶界弓出形核是主要的再结晶形核方式，而晶界弓出方式形核的再结晶晶粒取向与原来轧制变形晶粒的取向是相同的，因此保留了较多的S、Copper和Brass轧制织构。

随着冷轧加工率的增大，剪切带位置形核和PSN形核机制得到增强，立方带形核则受到抑制，晶粒取向主要仍为随机取向。

立方带形核主要产生立方织构和旋转立方织构，剪切带位置形核主要产生Goss和Q织构，而PSN主要产生随机织构和P织构。

再结晶后各类织构的具体组成取决于上述各形核机制的共同作用和竞争关系。

但总体来看，随着冷轧加工率从25%增至75%，随机取向的晶粒占比仍较高，同时仍保留了一部分的轧制织构，这正是5182-O 铝合金汽车板比6016-T4P铝合金汽车板具有更好成形性的原因：其各方向r值较高且相近，具有较高的r m和较低的Δr。

当冷轧加工率较低时，晶界弓出形核为主要的形核方式，这会导致轧制织构的比例相对较高，材料同时具有较高的r45、r m和Δr。

当冷轧加工率较高时，轧制织构降低，导致r45、r m和Δr均下降明显。

而当冷轧加工率为50%时，再结晶织构和轧制织构的占比较为平衡，此时材料具有中等大小的r45
图5 不同冷轧加工率5182-O铝合金汽车板的ODF图
Fig.5 ODF images of 5182-O aluminum alloy automotive sheets at different cold rolling reduction rates
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表5 不同冷轧加工率5182-O铝合金汽车板的织构组成
Tab.5 Texture composition of 5182-O aluminum alloy automotive sheets at different cold rolling reduction rates
Euler angles/(°) Simulated r-value[31] Volume
fraction/% Texture component
ϕ1Φϕ2r0r45r90r mΔr 25% 50% 75% Cube{001}<100> 0 0 0 1 0 1 0.5 1.0 5.97 3.26 4.83 Goss{110}<001> 0 45 0 1 0.4 +∞ 1.61 1.95 2.46 S{132}<643> 59 37 63 0.67 5.8 0.49 3.2 −5.2 5.23 3.79 5.19
Brass{110}<112> 35
45
0.277.93 1
4.3
−7.3 6.72 2.12 2.04 Copper{112}<111> 90 35 45 1 5.990.11 3.3 −5.4 2.3 1.78 1.38
Q{013}<231> 45 15 10 0.18 1.010.110.6 −0.9 5.97 3.22 7.06
R{124}<211> 57 29 63 0.41 2.210.35 1.3 −1.8 4.2 4.57 3.81
P{011}<122> 65
45
8.26 1.060.31 2.7 3.2 2.16 2.73 1.87
Cube ND45{001}<110> 45 0 0 0 1 0 0.5 −1.0 5.11 1.92 3.63
和r m以及较低的Δr，综合成形性能达到最佳。

3 结论
1）5182-O铝合金汽车板的强化方式为固溶强化和细晶强化，冷轧加工率影响了连退成品的晶粒尺寸，进而改变了屈服强度。

晶粒尺寸和强度的变化规律符合经典Hall-Petch以及新Hall-Petch关系式。

可为开发不同强度的5182-O铝合金汽车板，或预测其强度提供理论基础。

2）不同冷轧加工率的5182-O铝合金汽车板退火后的晶粒取向总体上以随机取向为主，同时含有一定量的轧制织构和少量的Cube再结晶织构。

因此其各方向r值均较高且相近，使5182-O铝合金汽车板具有良好的成形性。

受不同再结晶形核机制竞争关系的影响，S、Copper和Brass轧制织构随冷轧加工率的增大而稍有减少，导致不同冷轧加工率下r45、r m和Δr 有所变化：r45和r m随冷轧加工率的增大而减小，Δr 则随冷轧加工率的增大而先减小后增大。

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