Hinweise zum Praktikum - Institut für Werkstoffwissenschaft

Institut für Werkstoffwissenschaft der TU Bergakademie
Freiberg
Hinweise zum Praktikum
Grundlagen der Werkstoffwissenschaft
Gültig für Wintersemester 2007 / 2008
Für die Lehrveranstaltung Grundlagen der Werkstoffwissenschaft werden 14 Praktika
angeboten:
1. Binäre Systeme
2. Erstarren metallischer Schmelzen
3. Diffusion I: Temperaturabhängigkeit der Diffusion
4. Diffusion II: Bestimmung des chemischen Diffusionskoeffizienten
5. Deformation von Werkstoffen
6. Erholung und Rekristallisation
7. Kriechen
8. Dilatometrie
9. Umwandlungshärten
10. ZTU – Diagramme
11. Ausscheidungshärten
12. Elektrische Leitfähigkeit von Metallen und Legierungen
13. Metallographie I: Schliffherstellung
14. Metallographie II: Schliffbewertung
Davon müssen 12 Praktika absolviert werden, zu denen jeweils Protokolle anzufertigen sind.
Studiengang WWT: Praktika Nr. 1 – 12
Studiengang ESM und FWK: Praktika 1 – 3; 5 – 11; 13 und 14
Die Dauer der Praktika beträgt jeweils 3 h. Jedes Praktikum beginnt mit einer Kurzklausur (5
Fragen, maximal erreichbare Punktzahl 10). Die Fragen beziehen sich dabei auf die
Vorlesung „Grundlagen der Werkstoffwissenschaft“ und die in den nachfolgenden Hinweisen
zu den einzelnen Praktika angegebene Pflichtliteratur.
Die gesamte im Praktikum erreichte Punktzahl muss 60% der Gesamtpunktzahl betragen,
damit die Zulassungsvorrausetzung für die mündliche Prüfung gegeben ist.
Die Testatscheine des Praktikums sind am Ende des Semesters im Sekretariat des
IWW bei Frau Vulpius abzugeben. Ohne Abgabe der Testatscheine und ohne
Erreichen der Mindestpunktzahl (s.o.) erfolgt keine mündliche Prüfung!
Nachfolgend finden sich die Aufgabenstellungen für die jeweiligen Praktika einschließlich
der Angaben der Pflichtliteratur. Beim Studium der Pflichtliteratur ist zu beachten, dass sich
die Ausdeutung spezieller Fachbegriffe nicht selten je nach Autoren unterscheiden kann.
Das Gleiche gilt für die verwendete Symbolik. Folgende Monographien mit
Lehrbuchcharakter sind zu verwenden:
- W. Schatt, H. Worch (Hrsg.): Werkstoffwissenschaft; 9. Auflage;
Verlag Wiley – VCH 2003
- H. Schumann, H. Oettel (Hrsg.): Metallographie; 14. Auflage;
Verlag Wiley – VCH 2004
- D. R. Askeland: Materialwissenschaften;
Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg – Berlin – Oxford 1996
- G. Gottstein: Physikalische Grundlagen der Materialkunde;
Springer – Verlag Berlin Heidelberg New York 1998
Gruppeneinteilungen, Zeiten und Räume sind den entsprechenden Aushängen zu
entnehmen.
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Praktikum 1: Binäre Systeme
Aufgabenstellung:
Zustandsdiagramme (-schaubilder) sind die Grundlage für das Verständnis der Legierungsund
der Gefügebildung in mehrkomponentigen Werkstoffen. Unter ihnen spielen die binären
Systeme auch wegen ihrer Einfachheit eine besondere Rolle. Mit dem Praktikum sollen die
Begriffe Phasen, Phasengleichgewichte, nonvariante Reaktionen, Mischungslücken etc.
sowie die Handhabung von Zustandsdiagrammen (Solidus-, Liquiduslinien und Solvuslinien,
Konoden, Hebelgesetz und Verbindungsbildungen) gefestigt werden.
Ausgehend von der experimentellen Ermittlung der Abkühlkurven bei der Erstarrung von Bi –
Sn – Legierungen soll das binäre Zustandsdiagramm Bi – Sn aufgestellt und die dabei
mikroskopisch beobachtbaren Gefüge interpretiert werden.
Literatur:
- Schumann/Oettel; Metallographie: S. 349 – 361, 366 – 411
Praktikum 2: Erstarren metallischer Schmelzen
Aufgabenstellung:
Im Praktikumsversuch sollen grundlegende Kenntnisse zur Erstarrung von metallischen
Schmelzen und zur Gefügebildung in Gusskörpern vermittelt werden. Dazu sind die
Gesetzmäßigkeiten des Erstarrungsvorganges (Keimbildung, stabiles und instabiles bzw.
dendritisches Kristallwachstum, gerichtete Erstarrung) zur Erklärung der auftretenden
Gussgefüge bei einem technisch reinen Metall (Aluminium) und bei einer mehrphasigen
Legierung (Weißmetall) anzuwenden.
Weißmetalle stellen wichtige Werkstoffe für Gleitlager (Notlaufeigenschaften) dar. Im
Praktikum wird ein bleifreies Weißmetall mit ca. 80 % Sn, 10 % Cu und 10 % Sb vergossen,
dessen Gefüge nach dem Erstarren aus einer zinnreichen Grundmasse mit eingebetteten
harten Primärkristallen (nadelförmiges Cu 6 Sn 5 und würfelförmiges SbSn) besteht.
Aluminium - und Weißmetall - Schmelzen werden mit unterschiedlichen Gießtemperaturen
jeweils in eine Kokille und in eine Sandform vergossen. Von allen Probenzuständen sind
metallografische Schliffe anzufertigen. Bei Aluminium entsteht ein sehr grobes Gussgefüge,
das nach dem Ätzen mit bloßem Auge betrachtet werden kann (Makroschliff). Bei den
Weißmetallproben ist nach einer Schliffpräparation eine mikroskopische Betrachtung
notwendig. Der Einfluss der Gießtemperatur und der wirksamen Unterkühlung auf die
Ausbildung des Gussgefüges ist zu diskutieren.
Achtung! Es sind geeignetes Schuhwerk (keine Sandalen) und ein
Arbeitsschutzkittel zu tragen!
Literatur:
- Schumann/Oettel; Metallographie: S. 453 – 490
- Askeland; Materialwissenschaften: S. 189 – 206
- Schatt/Worch; Werkstoffwissenschaft: 116 - 130
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Praktikum 3: Diffusion I: Temperaturabhängigkeit der Diffusion
Aufgabenstellung:
Ursachen für Diffusionsvorgänge in Festkörpern sind die thermisch aktivierten
Platzwechselvorgänge von Atomen/Ionen. Dabei ändert sich der Diffusionskoeffizient D = D 0
exp (-H D / k T) als Maß für die Diffusionsgeschwindigkeit exponentiell mit der Temperatur.
Will man den Frequenzfaktor D 0 und die Aktivierungsenthalpie H D eines Diffusionsprozesses
ermitteln, muß man Diffusionswege in Abhängigkeit von der Diffusionstemperatur und der –
zeit experimentell ermitteln.
Als Beispiel dafür wird im Praktikum die Aufkohlung von Armco-Fe und eines Stahls C10 in
einem Holzkohle - BaCO 3 – Gemisch untersucht. Die Eindringtiefe des interstitiell
diffundierenden Kohlenstoffs wird an Schliffen von Proben untersucht, die zwischen 900 und
1050 0 C mit unterschiedlichen Zeiten aufgekohlt wurden. Zu überprüfen ist das sogenannte
√t – Gesetz, aus dessen Proportionalitätsfaktor die Aktivierungsenthalpie abzuleiten ist.
Literatur:
- Askeland; Materialwissenschaften: S. 99 – 116
- Schatt/Worch; Werkstoffwissenschaft: S. 292 – 307
- Schumann/Oettel: S. 362 – 366, 557 - 559
- www.ww.tu-freiberg.de/mk/Dokumente/P-Diffussion/DiffusionI+II.doc
Praktikum 4: Diffusion II: Bestimmung des chemischen Diffusionskoeffizienten
Aufgabenstellung:
Im System Ni – Cu (lückenlose Mischkristallreihe) soll der chemische Diffusionskoeffizient
von Nickel für den Bereich mit niedrigem und den Bereich mit hohem Kupferanteil bestimmt
werden. Dazu werden Sandwich-Proben aus Cu + Ni bei verschiedenen Temperaturen
unterschiedlich lang geglüht (Modell der Diffusion in zwei aneinander grenzenden
unendlichen Halbräumen) und mittels der Elektronenstrahlmikrosonde die sich ergebenden
Konzentrations – Weg – Kurven vermessen.
Für die Ermittlung der Diffusionskoeffizienten wird die Methode nach Grube – Hall
angewendet.
Literatur:
- Askeland; Materialwissenschaften: S. 99 – 116
- Gottstein; Physikalische Grundlagen der Materialkunde:
S. 145 – 151, 168 - 172
- Schumann/Oettel; Metallographie: S. 300 - 310
- www.ww.tu-freiberg.de/mk/Dokumente/P-Diffusion/DiffusionI+II.doc
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Praktikum 5: Deformation von Werkstoffen
Aufgabenstellung:
Ziel des Praktikums ist es, das verschiedenartige Deformationsverhalten von Werk-stoffen
bei einachsiger mechanischer Beanspruchung zu demonstrieren und zu verstehen
(elastisches, plastisches, viskoelastisches und viskoplastisches Verhalten). Dazu werden
- Spannungs – Dehnungs – Kurven im Zugversuch an vielkristallinen metallischen
Werkstoffen (unlegierter Stahl, Aluminium) und
- an einem Polymerwerkstoff (Polypropylen) aufgenommen,
- das elastische bzw. viskoelastische Verhalten von Gummi sowie
- das Verhalten von Glas im Biegeversuch untersucht
und die Ergebnisse vergleichend diskutiert. Auf dieser Grundlage wird das typische
Deformationsverhalten von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen chrarakterisiert
Literatur:
• Schatt/Worch; Werkstoffwissenschaft: S. 390-403, 411-417, 424-428
• Schumann/Oettel; Metallographie: S. 490-500
• Askeland; Materialwissenschaften: S.126-137, 411-424, 464-473, 483-486
Praktikum 6: Erholung und Rekristallisation
Aufgabenstellung:
Eine Verformung metallischer Werkstoffe unterhalb etwa 0,4 T S (T S –Schmelztem-peratur)
führt je nach Art des Werkstoffes zu einer mehr oder weniger ausgeprägten Verfestigung, die
unter Umständen eine weitere Umformung unmöglich macht. Mit einer Entfestigung ist es
möglich, diese Verfestigung teilweise oder vollständig rückgängig zu machen. Eine
Entfestigung kann sich auf dem Wege einer Verset-zungsumlagerung bzw. –annihilation
(Erholung, Polygonisation ohne Veränderung des Gefüges) oder einer Rekristallisation
(Gefügeneubildung durch Bildung und Wanderung von Großwinkelkorngrenzen) vollziehen.
Wegen der Abhängigkeit der sich nach (primärer) Rekristallisation ergebenden Korngröße
von ε und T läßt sich mit der Rekristallisation durch Wahl eines geeigneten Umformgrades ε
und der Temperatur T der Rekristalliastionsbehandlung eine definierte
Korngrößeneinstellung vornehmen.
Zugverformte Keilzugstäbe (Flachstäbe mit über der Länge veränderlichem Querschnitt, um
an einer Probe unterschiedliche Umformgrade einstellen zu können) aus Aluminium werden
rekristallisierend geglüht und die Abhängigkeit der Korngröße vom vorangegangenen
Umformgrad sowie der kritische Umformgrad bestimmt.
Weiterhin wird das Entfestigungsverhalten von kaltgewalzten Aluminiumproben über die
Bestimmung der Härte in Abhängigkeit von der Anlaßtemperatur verfolgt und die
Rekristallisationstemperatur bzw. das Rekristallisationsintervall ermittelt. Als weitere
Untersuchungsmethode wird die Messung der Koerzitivfeldstärke an verformten und
angelassenen Weicheisenproben angewendet.
Literatur:
- Schumann/Oettel; Metallographie: S. 506 – 518
- Schatt/Worch; Werkstoffwissenschaft: S. 314 – 328
- Askeland; Materialwissenschaften: S. 176 – 181
(Achtung: Die hier verwendete Bezeichnung „Entspannung“ ist eine
unzutreffende Übersetzung aus dem Englischen und sollte als „Anlassen“
oder besser als „Entfestigung“ verstanden werden!)
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Praktikum 7: Kriechen
Aufgabenstellung:
Die mechanische Beanspruchung eines metallischen Werkstoffes bei Temperaturen höher
als etwa 0,5 T S (T S - Schmelzpunkt) und Spannungen kleiner als die Fließspannung führt
zwar nicht zu einer merklichen spontanen plastischen Dehnung, jedoch je nach Spannung zu
einer mehr oder weniger ausgeprägten zeitabhängigen plastischen Deformation, was als
Kriechen bezeichnet wird. Die dafür verantwortlichen Mechanismen sind das
Versetzungskriechen, das Coble – Kriechen und das Nabarro – Herring – Kriechen. Der
technisch wichtigste Bereich des Kriechprozesses ist dabei das sogenannte stationäre
Kriechen (Bereich II der Kriechkurve), in dem die Kriechgeschwindigkeit proportional zu σ n
exp(- H K / k T) wird (Nortonsches Kriechgesetz).
Aus Kriechkurven für eine Al – Mg – Sn - Legierung bei verschiedenen Temperaturen ist der
Kriechexponent n und die Aktivierungsenthalpie H D für den Kriechvorgang zu ermitteln.
Weiterhin ist die Härte in Abhängigkeit von der Zeit für die Erzeugung des Härteeindruckes
an einer Zn – Sn – Cd – Legierung für zwei Temperaturen zu bestimmen.
Literatur:
- Schatt/Worch; Werkstoffwissenschaft: S. 307 –310, 426 – 428
- Gottstein; Physikalische Grundlagen der Materialkunde
S. 268 – 275
- Askeland; Materialwissenschaften: S. 153 – 156,
Praktikum 8: Dilatometrie
Aufgabenstellung:
Im Praktikumsversuch sollen grundlegende Kenntnisse zur thermischen Ausdehnung von
metallischen Werkstoffen und zum Einfluss von Phasenumwandlungen auf den Verlauf der
Ausdehnungskurve vermittelt werden.
Die bei Variation der Temperatur durch Wärmeausdehnung oder durch Phasen-umwandlung
auftretenden Änderungen des spezifischen Volumens eines Werkstoffes lassen sich mit dem
Dilatometer messen, wobei nicht direkt die Volumenänderung sondern die Längenänderung
rohrförmiger Probekörper erfasst wird. Abweichungen vom monotonen Kurvenverlauf mit
steigender oder fallender Temperatur weisen auf strukturelle Veränderungen im Werkstoff
hin. Es können damit Phasenumwandlungen wie polymorphe Gitterumwandlungen,
Ausscheidungs-prozesse, Martensitbildung u.ä. untersucht und ZTU-Diagramme aufgestellt
werden.
Im Praktikum werden Dilatometerkurven von reinem Eisen, einem Kohlenstoffstahl und
einem hochlegierten Stahl aufgenommen. Anschließend werden die Diagramme
ausgewertet, d.h. die Umwandlungspunkte bzw. -intervalle und der thermische
Ausdehnungskoeffizient für die einzelnen Materialien bestimmt. Für die Stähle ist das
Ergebnis mit entsprechenden ZTU-Diagrammen zu vergleichen.
Literatur:
- Schatt/Worch; Werkstoffwissenschaft: S. 207, 522-525, 235-238
- Askeland; Materialwissenschaften: 672-676
- Schumann/Oettel; Metallographie: 448-451
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Praktikum 9: Umwandlungshärten
Aufgabenstellung:
Mit Phasenumwandlungen im festen Zustand können die mechanischen Eigenschaften von
Werkstoffen in starkem Maße beeinflusst werden. Der wichtigste Anwendungsfall ist das
sogenannte Härten von un- und niedrig legierten Stählen, wobei der Austenit durch eine
diffusionslose (athermische) Umwandlung in Martensit überführt wird (Abschrecken des
Austenites). Die dabei auftretenden Härteänderungen werden durch den Kohlenstoffgehalt,
den Gehalt an weiteren Legierungselementen und den verbleibenden Restaustenitgehalt
nach dem Härten bestimmt. Eine Anlassbehandlung der gehärteten Stähle unterhalb A c3
macht die umwandlungsbedingten Eigenschaftsänderungen teilweise oder vollständig
rückgängig, kann also zum Optimieren der Festigkeit und Zähigkeit der Stähle angewendet
werden.
Im Praktikum werden unlegierte Stähle mit verschiedenen Kohlenstoffgehalten gehärtet
(Wasserabschreckung des Austenites) und die erreichten Härten bestimmt. Mit dem
Kohlenstoffgehalt verändern sich M S , M f , die Martensitmorphologie und der
Restaustenitgehalt. Die Proben mit hohem und mit niedrigen C-Gehalt werden nachträglich
tiefgekühlt, um im Falle von Restaustenit dessen Umwandlung herbeizuführen.
Proben des gehärteten Stahls C60 werden im Temperaturbereich zwischen 100 und 700 0 C
angelassen und die Härten in Abhängigkeit von der Anlasstemperatur ermittelt.
Literatur:
- Schumann/Oettel; Metallographie: S. 435 – 440; 594 – 595; 597 – 622;
645 – 662
- Askeland; Materialwissenschaften: S. 301 – 307; 325 – 329
(Hinweis: Die in diesem Lehrbuch verwendete Bezeichnung ZTA-
Diagramme („Zeit – Temperatur – Aufheizdiagramme“) ist eine
Fehlübersetzung, es sind die kontinuierlichen ZTU-Diagramme damit
gemeint!)
Praktikum 10: ZTU – Diagramme
Aufgabenstellung:
Mit ZTU - Diagrammen charakterisiert man das Umwandlungsverhalten von Werkstoffen in
Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur (Zeit – Temperatur –
Umwandlungsdiagramme). Weite Verbreitung haben diese Diagramme zur Beschreibung
des Umwandlungsverhaltens von Stählen gefunden, sie bilden die Grundlage für viele
Wärmebehandlungsverfahren (z.B. Perlitbildungen, Härten, Vergüten etc.). Dabei
unterscheidet man isotherme und kontinuierliche ZTU-Diagramme. Die isothermen
Diagramme liefern Informationen zur Gefügebildung, wenn man ausgehend von der
Austenitisierungstemperatur auf eine bestimmte Temperatur abschreckt und bei dieser die
zeitliche Entwicklung des Gefüges verfolgt.
Kontinuierliche ZTU-Diagramme benutzt man dann, wenn die Abkühlung aus dem
Austenitgebiet kontinuierlich erfolgt, wobei das Abkühlregime (Abkühl-geschwindigkeit) durch
das verwendete Kühlmedium bestimmt wird.
Im Praktikum werden sowohl isotherme (Bainitstufe) als auch kontinuierliche
Wärmebehandlungen (Abskühlung in Wasser, Öl, Luft und im Ofen) an einem Stahl 50CrV4
durchgeführt und die erzielten Härten ermittelt und die Ergebnisse mit den Aussagen der
ZTU-Diagramme verglichen.
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Literatur:
- Schumann/Oettel, Metallographie: S. 440 – 448
- Askeland; Materialwissenschaften: S. 291 – 301; 321 - 336
(Hinweis: Die in diesem Lehrbuch verwendete Bezeichnung ZTA-Diagramme
(„Zeit – Temperatur – Aufheizdiagramme“) ist eine Fehlübersetzung, es sind
die kontinuierlichen ZTU-Diagramme damit gemeint!)
Praktikum 11: Ausscheidungshärten
Aufgabenstellung:
Ausscheidungen stellen Phasenbildungen im festen Zustand dar, mit denen eine
Übersättigung eines Mischkristalls abgebaut wird. Sind diese Ausscheidungen klein und
haben sie Abstände im Bereich kleiner als wenige 100 nm (feindisperse Ausscheidungen),
können sie die Festigkeit (z.B. R P0.2 , Härte) eines Werkstoffes stark erhöhen
(Ausscheidungshärtung oder Aushärtung). Die Ausscheidungshärtung ist eine der
wirksamsten Möglichkeiten für die Festigkeitssteigerung in technischen metallischen
Legierungen.
Am Beispiel einer Al + 4% Cu – Legierung soll das Aushärtungsverhalten nach einer
Homogenisierung mit Hilfe von Härtemessungen und Messungen der elektrischen
Leitfähigkeit verfolgt werden. Dabei werden die Aushärtungstemperaturen und –zeiten
variiert. Die gewonnenen Ergebnisse sind aus der Sicht der Natur der Ausscheidungen und
des Dispersitätsgrades zu diskutieren.
Literatur:
- Schumann/Oettel; Metallographie: S. 42/43, 425 – 435, 501/502, 858 – 860
- Askeland; Materialwissenschaften: S. 286 – 290
- Gottstein: Physikalische Grundlagen der Materialwissenschaft:
S. 257 - 265
Praktikum 12: Elektrische Leitfähigkeit von Metallen und
Legierungen
Aufgabenstellung:
Der elektrische Widerstand metallischer Werkstoffe (Elektronenleiter) setzt sich
entsprechend der Matthiessen – Regel additiv aus einem temperaturabhängigen Anteil
(Phononenstreuung der Ladungsträger) und einem temperaturunabhängigen Anteil
(Streuung an Punktdefekten, Versetzungen, Planardefekten, Korngrenzen,
Mischkristallbildungen etc.) zusammen. Daher eignen sich Messungen des elektri-schen
Widerstandes gut zur Verfolgung metallkundlicher Vorgänge, wobei eine Variation der
Messtemperatur hilfreich ist (Mischkristallbildung, Ausscheidungs-vorgänge, Verformung,
Rekristallisation, Verunreinigungen etc.).
Im Praktikum soll der spezifische elektrische Widerstand von Cu und Cu – Ni- Legierungen
verschiedener Gehalte bei unterschiedenen Temperaturen gemessen werden, um daraus
die Konzentrationsabhängigkeit des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes
und des temperaturunabhängigen Anteils zu bestimmen. Als Messinstrument für den
elektrischen Widerstand wird die Thomson-Brücke eingesetzt.
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Literatur:
- Gottstein; Physikalische Grundlagen der Materialkunde: S. 420 – 429
- Schatt/Worch; Werkstoffwissenschaft: S. 474 – 479
- Askeland; Materialwissenschaften: S. 569 – 580
Praktikum 13: Metallographie I: Schliffherstellung
Aufgabenstellung:
Für eine mikroskopische Untersuchung von Werkstoffen ist es notwendig, ebene, ungestörte,
kontrastierte und für den Probenzustand chrarakteristische Flächen, die sogenannten
Schliffe zu präparieren. Diese Präparation beinhaltet meistens die Teilschritte
- Probennnahme
- Einfassen
- Schleifen
- Polieren
- Kontrastieren.
Im Praktikum werden Schliffe metallischer Werkstoffe hergestellt und lichtmikroskopisch
untersucht.
Literatur:
- Schumann/Oettel; Metallographie: S. 134 – 136; 144 – 152; 163 – 201;
224 - 244
- www.ww.tu-freiberg.de/mk/Dokumente/P-Leitfaehigkeit/ElektrischeLeitfaehigkeit.doc
Praktikum 14: Metallographie II: Schliffbewertung
Aufgabenstellung:
Mikroskopische Schliffbilder müssen oft nicht nur qualitativ, sondern quantitativ
bewertet werden. Das ist Aufgabe der rechnergestützten quantitativen
Gefügeanalyse, die ausgehend von digitalisierten Bildern eine Vielzahl von
Parametern für ein- und mehrphasige Gefüge zu ermitteln gestattet. Im Praktikum
werden methodische Varianten zur Gewinnung wichtiger Gefügeparameter
demonstriert.
Literatur:
- Schumann/Oettel; Metallographie: S. 250 - 284
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