Laboratorio de Solidificacion N-_4

LABORATORIO N°4

DETERMINACION DE LA INFLUENCIA DEL CONTENIDO DE CARBONO EN LAS FASES DE LOS ACEROS

PRESENTADO POR:

NOMBRES:

JUAN SEBASTIAN CARDENAS DUARTE

GERMAN LEONARDO FLOREZ TORRES

JONATHAN JAVIER NIÑO CARREÑO

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FACULTAD: INGENIERIA METALURGICA

TUNJA

2014

LABORATORIO N°4

DETERMINACION DE LA INFLUENCIA DEL CONTENIDO DE CARBONO EN LAS FASES DE LOS ACEROS

PRESENTADO POR:

NOMBRES:

JUAN SEBASTIAN CARDENAS DUARTE

GERMAN LEONARDO FLOREZ TORRES

JONATHAN JAVIER NIÑO CARREÑO

INFORME: LABORATORIO DE SOLIDIFICACION Y TRANSFORMACION DE FASE

PRESENATADO A: INGENIERA, MONICA MELGAREJO

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FACULTAD: INGENIERIA METALÚRGICA

TUNJA

2014

CONTENIDO

Pág.

1 PRE LABORATORIO 3

2 CUADRO COMPARATIVO. 12

3. ANALISIS DE RESULTADOS. 13

4 CONCLUSIONES 16

1 PRELABORATORIO

1.1.1 Aceros de bajo carbono. Aceros que contienen menos de 0,25% de C, constituyen el mayor tonelaje de todos los aceros producidos. Perfiles y vigas de edificios y puentes, placa de tubos de conducción y aplicaciones de hoja de automoción son sólo algunas de las principales aplicaciones de los aceros de bajo carbono. Estas aplicaciones son impulsadas por los requisitos de fabricación para una buena confortabilidad y soldabilidad, y los requisitos de rendimiento de las buenas combinaciones de fuerzas y resistencia a la fractura para aplicaciones dadas. Mientras que los primeros planteamientos de diseño de estructuras de acero involucraban aumentar el tamaño de la sección de baja resistencia, aceros de bajo contenido de carbono para aumentar la capacidad transporte de carga, enfoques recientes se han basado en el desarrollo de microestructuras de acero de bajo carbono ofreciendo mayor resistencia con el fin de reducir el tamaño de la sección y peso.

Fortalezas más altas se producen cada vez más en los aceros con contenidos cada vez más bajos de carbono, un enfoque que mejora la confortabilidad, soldabilidad y tenacidad o resistencia de la fractura. Como resultado, las dos últimas décadas del siglo XX se han producido cambios dramáticos en las composiciones de los aceros de bajo carbono, su resistencia, ductilidad y dureza, y el procesamiento de los enfoques para su fabricación. El componente principal microestructura de aceros bajos en carbono ha sido tradicionalmente ferrita poligonal, pero los últimos acontecimientos han añadido otros componentes microestructurales principales. Sin embargo, el rendimiento de los aceros de bajo carbono depende esencialmente de los mecanismos de deformación y fractura de ferrita, "La deformación, Fortalecimiento y Fractura de microestructuras ferriticas." Microestructuras que consisten principalmente de ferrita tienen una resistencia relativamente baja, y por lo tanto, diversas aleación y enfoques de elaboración utilizadas para desarrollar una alta resistencia en los nuevos tipos de aceros de bajo carbono.

Aceros de fase dual, y aceros TRIP. Los dos últimos grupos de aceros han sido desarrollados para mejorar combinaciones de resistencia y ductilidad con respecto a las de los aceros de bajo carbono con microestructuras ferríticas principalmente como laminados. La figura 1 muestra los rangos aproximados de combinaciones de resistencia ductilidad rendimiento para diversos tipos de aceros de bajo carbono desarrollados hasta la fecha. 1

Resistencias a la tracción finales son, por supuesto, más altas y dependen de las características de endurecimiento por deformación de las diversas microestructuras Algunos de los aceros se han desarrollado para la máxima capacidad de conformado con fuerza moderada; otros han sido desarrollados para la fuerza máxima con la conformabilidad moderada. Tratamientos térmicos para producir microestructuras martensíticas con muy altas resistencias en aceros de bajo carbono responden a las necesidades de componentes de automoción de alta resistencia y. aplicaciones de placa de alta tenacidad.

1

4

1.1.2 Aceros medio carbono. Para la alta resistencia a la fatiga se han desarrollado tradicionalmente aceros mediante endurecido por austentización, temple en martensita, y templado. Cuando se requiere alta resistencia y dureza moderada , de revenido se realiza a temperaturas bajas , alrededor de 200 C ( 390 F ) , y cuando se requieren fuerzas moderadas y alta tenacidad , de revenido se realiza a temperaturas elevadas , alrededor de 500 C ( 930 F ) . Con el fin de proporcionar buena templabilidad y a de endurecimiento moderado, los aceros sometidos a tratamientos térmicos de endurecimiento se alean con porcentajes significativos de cromo, níquel y / o molibdeno. La unidad intensa para mantener los costos y la productividad de los productos de acero a lo largo de los últimos decenios ha creado una nueva clase de aceros que compiten favorablemente con aceros endurecidos en los niveles de fuerza moderada . Esta clase de aceros utilizan microaleación para desarrollar la fuerza extra en microestructuras de ferrita / perlita producidos directamente en el enfriamiento de las temperaturas de forja. Micro adiciones de vanadio y niobio , por debajo de 0,20 % , son mucho menos costosos que adiciones de aleación sustanciales de cromo, níquel y molibdeno utilizado para aceros endurecibles , y el hecho de que los buenos puntos fuertes se consiguen mediante refrigeración directa después de la forja sin tratamiento térmico posterior de múltiples etapas se suma la reducción de costes y aumento de la productividad. .

Aunque los aceros microaleados de forja se han utilizado durante más de dos décadas en Europa y Japón Figura 2 , la primera especificación ASTM para aceros microaleados sólo se aprobó en 1992. Para el año 1996 , numerosas aplicaciones para microaleado de aceros forjados fueron reportados por las empresas estadounidenses. Las aplicaciones típicas para aceros microaleados de forja incluyen bielas, cigüeñales, ejes, cubos de ruedas y otros componentes del vehículo y del motor. El procesamiento y propiedades de los aceros microaleados con contenido medio de carbono son muy diferentes de las de los aceros microaleados con bajas concentraciones de carbono.

1.1.3 Acero de alto carbono. Se describen las propiedades mecánicas y las aplicaciones más exigentes para que los aceros con microestructuras totalmente perlíticos son muy adecuadas. Con el aumento de las velocidades de enfriamiento en el rango de transformación por enfriamiento continuo, o con temperaturas de transformación isotérmica se acercan a la nariz perlita de diagramas de transformación isotérmica, fig. 3, el espaciado interlaminar de ferrita perlita y cementita se hace muy bien. Como resultado, la mayoría de las microestructuras de ferrita / perlita tienen un espaciado interlaminar demasiado fino para ser visto en el microscopio de luz, y la perlita aparece oscura y uniforme. Por lo tanto, para ver el espaciado interlaminar de la perlita , se utiliza la microscopía electrónica de barrido , y para los mejores separaciones , microscopía electrónica de transmisión ( TEM ) , son necesarios para resolver la estructura de dos fases de perlita . Figura 3 es una micrografía TEM que muestra la estructura interlaminar muy fina en una colonia de perlita de un riel de acero de alto carbono. Esta estructura está compuesta notablemente de ductilidad, la ferrita y la cementita producen alta resistencia, estas microestructuras son utilizadas por ejemplo para fabricación de rieles de ferrocarril y también para aplicaciones de alambre de alta resistencia.

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Figura 1. Espaciado interlaminar ferrita y perlita

Fuente: Krauss, George. 2005. Steels : Processing, Structure, and Performance. Materials Park, OH, USA : ASM International , 2005. p 243.

1.2 ACEROS TRABAJADOS EN LABORATORIO DE SOLIDIFICACIÓN

1.2.1 Acero AISI 1010. Este es un acero al carbono con contenido de carbono 0,10%. Este acero tiene una resistencia relativamente baja pero puede ser templado y revenido para aumentar la fuerza.

La siguiente ficha técnica aporta más detalles sobre la composición química del acero AISI 1010.

Tabla 1. Composición química del acero 1010

Elementos Contenido (%)Hierro, Fe 99.18-9.62 %Manganeso, Mn 0.30-0.60 %Azufre, S ≤0.050 %Fosforo, P ≤0.040 %Carbono, C 0.080-0.13 %

Fuente:

Milne, Stuart. 2000. azom. azom. [En línea] azom.com, 2000. [Citado el: 2 de Junio de 2014.] http://www.azom.com/1010.

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1.2.1.1Propiedades Mecánicas. Las propiedades mecánicas de AISI 1010 estirado en frío de acero de carbono se tabulan a continuación.

Tabla 2. Propiedades mecánicas acero AISI 1010

Propiedades Sistema Internacional Sistema InglesResistencia a la tracción 365 MPa 52900 psiLimite elastic 305 MPa 44200 psiModulo elástico 190-210 Gpa 27557-30458 ksiModulo de comprensibilidad 140 GPa 20300 ksiModulo de cizallamiento 80.0 GPa 11600 ksiEl coeficiente de Poisson 0.27-0.30 0.27-0.30Alargamiento a la rotura (in 50 mm) 20% 20%Reduccion de área 40% 40%Dureza, Brinell 105 105Dureza, Knoop 123 123Dureza, Rockwell B 60 60Fuente:


1.2.2 Acero AISI 1045.Es un acero de resistencia a la tracción media suministrado en el laminado en caliente o normalizado condición negro. Tiene una resistencia a la tracción de 570 a 700 MPa y de dureza Brinell comprendida entre 170 y 210.

Acero AISI 1045 carece de elementos de aleación adecuados y por lo tanto no responde al proceso de nitruración.

Tabla 3.Composición química del acero AISI 1045Elemento ContenidoCarbon, C 0.420 - 0.50 %hierro, Fe 98.51 - 98.98 %Manganeso, Mn 0.60 - 0.90 %Fosforo, P ≤ 0.040 %Asufre, S ≤ 0.050 %

Tabla 4. Propiedades mecánicas del acero AISI 1045.

Propiedades mecánicas Sistema Internacional Sistema InglesDureza, Brinell 163 163Dureza, Knoop (Convertida de dureza Brinell) 184 184Dureza, Rockwell B (Convertida de durea Brinell ) 84 84Dureza, Vickers (Converted de dureza Brinell) 170 170Tensile Strength, Ultimate 565 MPa 81900 psiTensile Strength, Yield 310 MPa 45000 psiFuente:

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1.2.3 Acero AISI O1. Este Acero es utilizado para herramientas de trabajo en frío son aceros de alto de carbono que se clasifican en tres subgrupos, tales como aceros de alto carbono con endurecimiento por enfriado en aceite, aceros de alto contenido de cromo y aceros con endurecimiento al aire. Aceros de trabajo en frío de aceite de endurecimiento también se conocen como aceros grupo que consiste en O1, O2, O6 y O7 tipos.

Tipo O1 de acero trabajo en frío de aceite de endurecimiento consiste en cromo, manganeso y tungsteno y es relativamente barato. La siguiente ficha técnica aporta detalles sobre el tipo O1.

Tabla 5.Composición química del acero AISI O1

Elementos Contenido (%)C 0.85-1.00

Mn 1.00-1.40Si 0.50Cr 0.40-0.60Ni 0.30W 0.40-0.60V 0.30

Cu 0.25P 0.03S 0.03

Fuente:

Milne, Stuart. 2000. azom. azom. [En línea] azom.com, 2000. [Citado el: 2 de Junio de 2014.] http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=6229.

1.2.3.1 Propiedades físicas del acero AISI O1.las propiedades físicas de los aceros para herramientas se describen en la siguiente tabla.

Tabla 6.Propiedades del acero AISI O1Propiedades Métrico ImperialDureza, Brinell 190 190Dureza, Rockwell C (temperatura 300-1200°F)

34.0-64.0 34.0-64.0

Módulo de elasticidad (399°C/750°F, dureza 62 HRC )

172 GPa 25000 ksi

Límite de elasticidad a la compresión(0.2dureza 50 HRC)

1350 MPa 196000 psi

Fuente:

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Milne, Stuart. 2000. azom. azom. [En línea] azom.com, 2000. [Citado el: 2 de Junio de 2014.] http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=6229.

1.3 REACTIVOS UTILIZADOS PARA ATAQUE QUÍMICO METALOGRÁFICO DEL ACERO

Tabla 7. Reactivos para ataque metalográficoAleación Reactivo Forma de empleoHierro, acero al bajo carbono 30 mL HNO3

70 mL HF300 mL agua

Usar a 60 °C (140 °F)

Hierro, acero bajo carbon 25 g acido oxálico 10 ml de 2O2 (13 g),1 gota de H2SO4 (0,1 g) 1000 ml de agua

Lijar a través de grano 600 SiC. Sumergir la muestra durante 5 min a 20 ° C (70 ° F)

Hierro, aceros de bajo carbono, Fe-20% de Ni-5 aleación de Mn%

80 mL H2O2 (30%), 15 mL agua, 5 mL HF

Muestra pulida a 6 micras diamante. Sumergir en la solución a 20-25 ° C (70-75 ° F) durante 4-10 s. lavar inmediatamente con agua fría

Hierro, aceros de bajo carbono

3 mL HF, 97 mL H2O2 (30%) Ajustar la concentración del HF para obtener el desprendimiento de gas. Obtener un buen adelgazamiento para TEM

Aceros(0,1-0,8% C, hasta el 3%

14 ml de HF,100 ml de H2O2 (30%), 100 ml de agua

Utilizar pulimento mecánico. Sumergir la muestra en l solucion de 3-30 s y agitar enérgicamente. Enjuagar con H2O2 al 30%

Aceros de medio carbono 10 partes H2O2 al (30%) Utilizar a temperatura ambiente

Fuente: Metals, American Society for y ASM Handbook Committee. 1985. Metals Handbook, Volumen 9. 9. s.l. : American Society for Metals, 1985. p 243,244.

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2. ANALISIS DE LAS MICROGRAFIAS

Acero AISI 1010 Acero AISI 1045 Acero AISI O1

Micrografía Longitudinal

500x

Micrografía Longitudinal

100x

Micrografía Transversal

500xNo aplica

Micrografía Transversal

100xNo aplica

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2.1 ACERO AISI 10-10

En las micrografías a 500X, puede observar mejor la organización de la estructura del acero, dándonos mejor visibilidad de esta. Podemos ver claramente los límites de grano.

En las micrografías 100X, observamos formas y tamaños dispersos

2.1.1 TAMAÑO DE GRANO

Haciendo uso de la Norma ASTM E112, se determinó por comparación el tamaño de grano de las probetas preparadas del acero 10-10, haciendo coincidir la foto de la micrografía 100X, con la plantilla que la norma ofrece, de esta forma nos fue sencillo determinar el respectivo tamaño de grano de la probeta manejada. Haciendo coincidir la plantilla con la micrografía 100X transversal, podemos observar que el tamaño de grano de este acero, aproximadamente corresponde a 5. La tabla No 11 de la norma ASTM E-112 nos indica que este sería un tamaño de grano de 4032µm2.

2.1.2 FASES PRESENTES

Luego de someter a la probeta a una serie de sucesivos ataques mediante el reactivo seleccionado (Nital), esta revelo sus límites de grano correspondientes.

Observando claramente su fase presente, la cual pertenece a una mezcla de ferrita (blanco) y perlita en su mayoría (negro).

2.1.3 PROMEDIO DE DUREZA.

Aplicando la norma ASTM E18, usamos la escala de dureza Rockwell C, con punta de diamante o punta cónica, ya que esta es usada para determinar dureza en materiales duros, como en este caso el acero.

Cargas empleadas:

Po. = carga inicial = 10 Kgf. (para todas las escalas)

Pad.= carga adicional = 140 Kgf

Pt. = carga total = 150 Kgf

(26.8+25+24.6+24.9)4

=25.3RC

Dato obtenido del promedio de las durezas tomadas en la parte longitudinal de la probeta de acero 10-10 preparada.

2.2 ACERO AISI 10-45

Fotografías tomadas del microscopio óptico en las cuales se pueden observar tamaños de granos dispersos, se observan pequeñas inclusiones y manchones, los cuales pueden pertenecer a restos de alúmina o quemaduras causadas por sobre ataque.

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Haciendo uso de la Norma ASTM E112, se determinó por comparación el tamaño de grano de las probetas preparadas del acero 10-45, haciendo coincidir la foto de la micrografía 100X, con la plantilla que la norma ofrece, de esta forma nos fue sencillo determinar el respectivo tamaño de grano de la probeta manejada. Haciendo coincidir la plantilla con la micrografía 100X transversal, podemos observar que el tamaño de grano de este acero, aproximadamente corresponde a 6. La tabla No 11 de la norma ASTM E-112 nos indica que este sería un tamaño de grano de 2016µm2.


Luego de someter a la probeta a una serie de sucesivos ataques mediante el reactivo seleccionado (Nital), esta revelo sus límites de grano correspondientes.

Observando claramente su fase presente, la cual pertenece a una mezcla de ferrita (blanco) y perlita en su mayoría (negro), mayor concentración de esta que en el acero 10-10.


Aplicando la norma ASTM E18, usamos la escala de dureza rockwell C, con punta de diamante o punta cónica, ya que esta es usada para determinar dureza en materiales duros, como en este caso el acero.

Cargas empleadas:

Po. = carga inicial = 10 Kgf. (para todas las escalas)



(28.6+26.4+25+27)4

=27.2 RC

Dato obtenido del promedio de las durezas tomadas en la parte longitudinal de la probeta de acero 10-45 preparada.

2.3 Acero AISI O1

Fotografías tomadas del microscopio óptico, en la cuales se pueden observar formas y tamaños dispersos, los puntos negros que se aprecian corresponden a

Carbono, las manchas azules oscuras corresponden a alúmina o a reacciones que se originaron al contacto con el reactivo utilizado para revelar los límites de grano y así poder determinar su tamaño.


Haciendo uso de la Norma ASTM E112, se determinó por comparación el tamaño de grano de las probetas preparadas del acero O1, haciendo coincidir la foto de la micrografía 100X, con la plantilla que la norma ofrece, de esta forma nos fue sencillo determinar el respectivo tamaño de grano de la probeta manejada. Dentro de la plantilla se puede notar que el tamaño de grano de esta micrografía corresponde a 8. La tabla No 11 de la norma ASTM E-112 nos indica que este sería un tamaño de grano de 504µm2.

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Luego de someter la probeta a una serie de sucesivos ataques mediante el reactivo seleccionado (Nital), esta revelo sus límites de grano correspondientes.

Observando claramente su fase presente, la cual pertenece a una mezcla de ferrita en su mayoría (amarillo) y perlita (negro).


Aplicando la norma ASTM E18, usamos la escala de dureza rockwell C, con punta de diamante o punta cónica, ya que esta es usada para determinar dureza en materiales duros, como en este caso el acero.

Cargas empleadas:

Po. = carga inicial = 10 Kgf.(para todas las escalas)



(12.2+11+14.6+13.8)4

=12.9 RC

Dato obtenido del promedio de las durezas tomadas en la parte longitudinal de la probeta de acero O1 preparada

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3. ANALISIS DE RESULTADOS.

Dureza Rockwell. Tabla 10 presenta una comparación de diversos ensayos de dureza de indentación que se utilizan para medir la dureza de los aceros y otros metales. La dureza Rockwell es probablemente la prueba más ampliamente usada en los Estados Unidos. La tabla muestra las tres escalas más comunes para la prueba Rockwell. Tanto la "C" y "A" escalas utilizan un penetrador de diamante cónico, con la única diferencia de que la escala "A" utiliza una carga más ligera. Estos probadores proporcionan una medición muy rápida y fácil, con la máquina de medición de la profundidad de penetración de forma automática y proporcionar el valor de dureza, ya sea en un dial o, en máquinas más nuevas, como una lectura digital. La carga más pequeña para la escala "A" reduce la profundidad de penetración y, a menudo se utiliza para medir la dureza en superficies de acero que se han endurecido con una capa delgada, dura en la superficie. Los valores de dureza reportados se refieren indistintamente como RC o HRC y de manera similar, RA o HRA. El penetrador para la escala "B" es un 1,6 mm (0,063 pulgadas, o 63 milésimas de pulgada) bola endurecida.

Tabla 8. Comparación de durezas.

Fuente: Verhoeven, John D.. Steel Metallurgy for the Non-Metallurgist. Materials Park, OH, USA: A S M International, 2007. ebrary collections. 9 Jun. 2014 http://site.ebrary.com/lib/bibliotecauptc/Doc?id=10320335&ppg=48

Observando las tablas de propiedades mecanicas de los aceros según la norma AISI el acero AISI 1010 deberia tener un promedio de dureza de 60 RB pero debido a que utilizamos la dureza Rockwell C utilizamos la tabla 9 para convertir la dureza RC a RB pero este valor no registra para conversion. La Dureza del acero AISI 1045 según la norma es de 84 RB y al convertirla a RC obtenemos una dureza de 4 RC, y la obtenida en laboratorio fue de 27,2, lo cual nos sugiere que el

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http://site.ebrary.com/lib/bibliotecauptc/Doc?id=10320335&ppg=48

acero no cumple con la norma AISI; El acero O1, el cual deberia presentar la mayor dureza fue el que en el laboratorio obtuvo la menor, según la norma tendria una dureza promedio de dureza RC de 34, y la obtenida fue de 12,9 RC.

Lo anterio nos indica que posiblemente las probetas AISI 1010 y 1045 sufrieron un tratamiento termico

Tabla 9. Relacion del tamaño de grano.

Fuente:

International, ASTM. 2012. ASTM designation E 407 - 07 e1 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys. www.astm.org. [En línea] 2012. [Citado el: 2 de Junio de 2014.] www.astm.org..

Con los datos obtenidos en el tamaño de grano del acero O1 podríamos afirmar que este acero es el más duro ya que presenta un tamaño de grano menor que los otros aceros, pero como lo anteriormente expuesto la dureza de los aceros AISI 1010 y 1045 no concuerdan.

El procedimiento que realizamos para el ensayo metalográfico incluyo el corte de la varilla aproximadamente 2Cm, luego se preparó y por último se realizó el ataque químico con el siguiente reactivo: nital al 4%, con el fin que este revelara los límites de grano de las microestructuras de cada acero.

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4 CONCLUSIONES

En la práctica de laboratorio, logramos familiarizarnos con las características microscópicas de los aceros comerciales 10-10, 10-45, y O1.

Utilizamos el diagrama de faces para analizar las fases presentes en los distintos tipos de acero así como su clasificación.

Logramos identificar por medio metalográfico las fases presentes en los aceros 10-10, 10-45 Y O1.

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BIBLIOGRAFIA

International, ASTM. 2012. ASTM designation E 407 - 07 e1 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys. www.astm.org. [En línea] 2012. [Citado el: 2 de Junio de 2014.] www.astm.org..

Krauss, George. 2005. Steels : Processing, Structure, and Performance. Materials Park, OH, USA : ASM International , 2005. 9781615030507.p234-236

Metals, American Society for y ASM Handbook Committee. 1985. Metals Handbook, Volumen 9. 9. s.l. : American Society for Metals, 1985. p243,244.


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