blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-2-148-153blackmet-1588Research ArticleВ ПОРЯДКЕ ДИСКУССИИIN ORDER OF DISCUSSIONВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ХАРАКТЕР ДВИЖЕНИЯ АВТОВОЛН ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ СТАЛЬНОЙ ПЛАСТИНЫINFLUENCE OF PULSED ELECTRIC CURRENT ON THE WAVES MOTION CHARACTER OF PLASTIC DEFORMATION AT TENSION OF A STEEL PLATEГагаринА. Ю.GagarinA. Yu.

аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля

Postgraduate of the Chair of Science named after V.M.  Finkel

s.nk@mail.ruСарычевВ. Д.SarychevV. D.

к.т.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Science named after V.M. Finkel

sarychev_vd@mail.ruНевскийС. А.NevskiiS. A.

к.т.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Science named after V.M. Finkel

nevsliy.sergei@yandex.rulПотекаевА. И.PotekaevA. I.

д.ф.-м.н., профессор, директор Сибирского физико-технического института им. В.Д. Кузнецова (СФТИ ТГУ)

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Director of the Siberian Physics and Technics Institute (SPTI TSU)

potekaev@spti.tsu.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial University, Novokuznetsk, Kemerovo RegionRussian FederationНациональный исследовательский Томский государственный университетРоссияNational Research Tomsk State University, TomskRussian Federation201929032019622148153Copyright © Гагарин А.Ю., Сарычев В.Д., Невский С.А., Потекаев А.И., 20192019Гагарин А.Ю., Сарычев В.Д., Невский С.А., Потекаев А.И.Gagarin A.Y., Sarychev V.D., Nevskii S.A., Potekaev A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1588

Несмотря на растущий интерес к использованию токовых воздействий для интенсификации формоизменения надежные экспериментальные и теоретические представления о процессах пластической деформации весьма ограничены, а физическая природа эффекта пластификации металлов изучена явно недостаточно. Это сдерживает использование перспективного явления в технологии обработки металлов давлением. Перспективным для решения задач исследования механизмов развитой электростимулированной пластической деформации может явиться подход к пластическому течению как к волновому процессу. Методами инфракрасной термографии и двухэкспозиционной спекл-интерферометрии исследована пластическая деформация малоуглеродистой стали при воздействии импульсного электрического тока. Установлено, что внешнее электрическое воздействие приводит к увеличению скорости волн пластичности на 65 %. Анализ картин распределения скоростей показал, что распределение скорости имеет вид «ударного перехода». В начале координат скорость движения материала равна нулю (неподвижный захват), а на правой части кривой скорость материала равна скорости растяжения, задаваемой испытательной машиной. Воздействие электрического тока приводит к расщеплению скоростей смещений как на подвижных, так и на неподвижных концах образцов. Термографические исследования показали наличие градиента температуры, направленного от зажимов к центру образца, что не совпадает с картиной распределения смещений. Установлено, что при первичной обработке мощными токовыми импульсами в центральной области образца температура образца достигает 351 K, а в области, прилегающей к зажимам, 330 K, то есть температура повысилась на 53 К. Последующие обработки приводят к незначительному повышению температуры. По литературным данным такое повышение температуры для исследуемой стали приводит к снижению предела текучести на 10 %, что соответствует результатам настоящего эксперимента. Если изменение скорости движения медленной волны при пропускании тока ранее было обнаружено и подтверждается в настоящей работе, то анализ распределения скоростей по координате показал, что импульсный ток приводит к расщеплению профиля скоростей вблизи подвижного захвата.

Infrared thermography and two-exposure speckle interferometry have been used to study the plastic deformation of low-carbon steel under the action of pulsed electric current. It was established that external electric effect leads to an increase in velocity of plastic waves by 65  %. Analysis of the velocity distribution patterns showed that they have the profile of “shock transition”. At the origin, velocity of the material is zero (motionless gripping), and at the right end of the curve material velocity is equal to stretching speed specified by testing machine. The effect of electric current leads to splitting of the displacements velocities, both at moving and stationary ends of the samples. It is assumed that the observed splitting is related to the Stark splitting of energy levels of the deformed system. This splitting leads to a decrease in the potential barrier for the motion of defects in crystal lattice. Thermographic studies have shown presence of a temperature gradient directed from clamps to center of the sample, which does not coincide with pattern of displacement distribution. It was determined that during the primary treatment with high power current pulses in the central area of the sample, sample temperature reaches 351  K, and 330  K in the area adjacent to clamps. Subsequent treatments result in a slight increase in temperature. This behavior of temperature can be explained by the fact that heat does not dissipate at a repetition rate of 10  Hz. On an average, sample temperature increases by 30  K. Theoretical calculation has shown that the Joule effect leads to an increase in temperature of the sample by 21  K per pulse, which is practically in agreement with experimental results. Estimates of thermal energy and energy of elastic deformation have shown that the fastest channel for converting the energy of electric pulse is structural changes in deformable system, which lead to the observed decrease in deforming force.

электроимпульсная обработкапластическая деформацияэффект электропластичностиelectropulse treatmentplastic deformationelectroplasticity effectРабота проведена при поддержке гранта РФФИ № 17-32- 50012/17 от 18.10.2017 шифр «Стажер» и государственного задания Минобрнауки РФ № 3.1283.2017/4.6. Особую благодарность за помощь в проведении опытов и расшифровки данных измерительного оборудования коллектив авторов выражает сотрудникам ИФПМ А.Г. Лунёву и В.В. Горбатенко.ReferencesRuszkiewicz B.J., Grimm T., Ragai I., Mears L., Roth J.T. A Review of Electrically-Assisted Manufacturing With Emphasis on Modeling and Understanding of the Electroplastic Effect // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2017. Vol. 139. No. 11. P. 110801 (1-15).Ruszkiewicz B.J., Grimm T., Ragai I., Mears L., Roth J.T. A review of electrically-assisted manufacturing with emphasis on modeling and understanding of the electroplastic effect. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2017, vol. 139, no. 11, pp. 110801 (1-15).Электростимулированная пластичность металлов и сплавов / В.Е. Громов, Л.Б. Зуев, Э.В. Козлов, В.Я. Целлермаер. – М.: Наука, 1996. – 293 с.Gromov V.E., Zuev L.B., Kozlov E.V., Tsellermaer V.Ya. Elektrostimulirovannaya plastichnost’ metallov i splavov [Electrostimulated plasticity of metals and alloys]. Moscow: Nauka, 1996, 293 p. (In Russ.).Jones J.J., Mears L. Constant Current Density Compression Behavior of 304 Stainless Steel and Ti-6Al-4V During Electrically-Assisted Forming // ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2011. Paper No. MSEC2011-50287. P. 629 – 637.Jones J.J., Mears L. Constant current density compression behavior of 304 stainless steel and Ti-6Al-4V during electrically-assisted forming. ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2011, Paper no. MSEC2011-50287, pp. 629–637.Hong S., Jeong Y., Chowdhury M.N., Chun D., Kim M., Han H.N. Feasibility of Electrically Assisted Progressive Forging of Aluminum 6061-T6 Alloy // CIRP Ann. Manuf. Technol. 2015. Vol. 64. No. 1. P. 277 – 280.Hong S., Jeong Y., Chowdhury M.N., Chun D., Kim M., Han H.N. Feasibility of electrically assisted progressive forging of aluminum 6061-T6 alloy. CIRP Ann. Manuf. Technol. 2015, vol. 64, no. 1, pp. 277–280.Tang G., Zhang J., Yan Y., Zhou H., Fang W. // The Engineering Application of the Electroplastic Effect in the Cold-Drawing of Stainless Steel Wire // J. Mater. Process. Technol. 2003. Vol. 137. No. 1. P. 96 – 99.Tang G., Zhang J., Yan Y., Zhou H., Fang W. The engineering application of the electroplastic effect in the cold-drawing of stainless steel wire. J. Mater. Process. Technol. 2003, vol. 137, no. 1, pp. 96–99.Egea A.J.S., Rojas H.A.G., Celentano D.J., Peiro J.J. Mechanical and Metallurgical Changes on 308L Wires Drawn by Electropulses // Mater. Des. 2016. Vol. 90. P. 1159 – 1169.Egea A.J.S., Rojas H.A.G., Celentano D.J., Peiro J.J. Mechanical and metallurgical changes on 308L wires drawn by electropulses. Mater. Des. 2016, vol. 90, pp. 1159–1169.Zhang D., To S., Zhu Y.H., Wang H., Tang G.Y. Static Electropulsing-Induced Microstructural Changes and Their Effect on the Ultra-Precision Machining of Cold-Rolled AZ91 Alloy // Metall. Mater. Trans. A. 2012. Vol. 43. No. 4. P. 1341 – 1346.Zhang D., To S., Zhu Y.H., Wang H., Tang G.Y. Static electropulsing-induced microstructural changes and their effect on the ultra-precision machining of cold-rolled AZ91 alloy. Metall. Mater. Trans. A. 2012, vol. 43, no. 4, pp. 1341–1346.Hameed S., Rojas H.A.G., Egea A.J.S., Alberro A.N. Electroplastic Cutting Influence on Power Consumption During Drilling Process // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016. Vol. 87. No. 5-8. P. 1835 – 1841.Hameed S., Rojas H.A.G., Egea A.J.S., Alberro A.N. Electroplastic cutting influence on power consumption during drilling process. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016, vol. 87, no. 5-8, pp. 1835–1841.Liu X., Lan S., Ni J. Electrically Assisted Friction Stir Welding for Joining Al 6061 to TRIP 780 Steel // J. Mater. Process. Technol. 2015. Vol. 219. P. 112 – 123.Liu X., Lan S., Ni J. Electrically assisted friction stir welding for joining Al 6061 to TRIP 780 steel. J. Mater. Process. Technol. 2015, vol. 219, pp. 112–123.Santos T.G., Lopes N., Machado M., Vilaca P., Miranda R. Surface Reinforcement of AA5083-H111 by Friction Stir Processing Assisted by Electrical Current // J. Mater. Process. Technol. 2015. Vol. 216. P. 375 – 380.Santos T.G., Lopes N., Machado M., Vilaca P., Miranda R. Surface reinforcement of AA5083-H111 by friction stir processing assisted by electrical current. J. Mater. Process. Technol. 2015, vol. 216, pp. 375–380.Grasso S., Sakka Y., Maizza G. Electric Current Activated/ Assisted Sintering (ECAS): A Review of Patents 1906–2008 // Sci. Technol. Adv. Mater. 2009. Vol. 10. No. 5. P. 053001.Grasso S., Sakka Y., Maizza G. Electric current activated/ assisted sintering (ECAS): A review of Patents 1906–2008. Sci. Technol. Adv. Mater. 2009, vol. 10, no. 5, pp. 053001.Langer J., Hoffmann M.J. Direct Comparison Between Hot Pressing and Electric Field-Assisted Sintering of Submicron Alumina // Acta Mater. 2009. Vol. 57. No. 18. P. 5454 – 5465.Langer J., Hoffmann M.J. Direct comparison between hot pressing and electric field-assisted sintering of submicron alumina. Acta Mater. 2009, vol. 57, no. 18, pp. 5454–5465.Xu D., Lu B., Cao T., Zhang H., Chen J., Long H., Cao J. Enhancement of Process Capabilities in Electrically-Assisted Double Sided Incremental Forming // Mater. Des. 2016. Vol. 92. P. 268 – 280.Xu D., Lu B., Cao T., Zhang H., Chen J., Long H., Cao J. Enhancement of process capabilities in electrically-assisted double sided incremental forming. Mater. Des. 2016, vol. 92, pp. 268–280.Valoppi B., Egea A.J.S., Zhang Z., Rojas H.A.G., Ghiotti A., Bruschi S., Cao J. A Hybrid Mixed Double-Sided Incremental Forming Method for Forming Ti6Al4V Alloy // CIRP Ann. Manuf. Technol. 2016. Vol. 65. No. 1. P. 309 – 312.Valoppi B., Egea A.J.S., Zhang Z., Rojas H.A.G., Ghiotti A., Bruschi S., Cao J. A hybrid mixed double-sided incremental forming method for forming Ti6Al4V alloy. CIRP Ann. Manuf. Technol. 2016, vol. 65, no. 1, pp. 309–312.Xie H., Dong X., Peng F., Wang Q., Liu K., Wang X., Chen F. Investigation on the Electrically-Assisted Stress Relaxation of AZ31B Magnesium Alloy Sheet // J. Mater. Process. Technol. 2016. Vol. 227. P. 88 – 95.Xie H., Dong X., Peng F., Wang Q., Liu K., Wang X., Chen F. Investigation on the electrically-assisted stress relaxation of AZ31B magnesium alloy sheet. J. Mater. Process. Technol. 2016. vol. 227, pp. 88–95.Liu R., Lu B., Xu D., Chen J., Chen F., Ou H., Long H. Development of Novel Tools for Electricity-Assisted Incremental Sheet Forming of Titanium Alloy // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016. Vol. 85. No. 5. P. 1137 – 1144.Liu R., Lu B., Xu D., Chen J., Chen F., Ou H., Long H. Development of novel tools for electricity-assisted incremental sheet forming of titanium alloy. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016, vol. 85, no. 5, pp. 1137–1144.Nguyen-Tran H., Oh H., Hong S., Han H.N., Cao J., Ahn S., Chun D. A Review of Electrically-Assisted Manufacturing // Int. J. Precis. Eng. Manuf. Green Technol. 2015. Vol. 2. No. 4. P. 365 – 376.Nguyen-Tran H., Oh H., Hong S., Han H.N., Cao J., Ahn S., Chun D. A Review of electrically-assisted manufacturing. Int. J. Precis. Eng. Manuf. Green Technol. 2015, vol. 2, no. 4, pp. 365–376.Guan L., Tang G., Chu P.K. Recent Advances and Challenges in Electroplastic Manufacturing Processing of Metals // J. Mater. Res. 2010. Vol. 25. No. 7. P. 1215 – 1224.Guan L., Tang G., Chu P.K. Recent advances and challenges in electroplastic manufacturing processing of metals. J. Mater. Res. 2010, vol. 25, no. 7, pp. 1215–1224.Зуев Л.Б., Громов В.Е., Пеккер Н.В. Элекростимулирование волны пластичности при распространении полос Людерса // Металлофизика. 1992. № 11. С. 88.Zuev L.B., Gromov V.E., Pekker N.V. Electrostimulation of plasticity wave during the propagation of Lueders lines. Metallofizika. 1992, no. 11, pp. 88. (In Russ.).Зуев Л.Б., Данилов В.И., Баранникова С.А. Физика макролокализации пластического течения. – Новосибирск: Наука, 2008. – 328 с.Zuev L.B., Danilov V.I., Barannikova S.A. Fizika makrolokalizatsii plasticheskogo techeniya [Physics of macrolocalization of plastic flow]. Novosibirsk: Nauka, 2008, 328 p. (In Russ.).Сарычев В.Д., Петрунин В.А. Фильтрационная модель пластической деформации // Изв. вуз. Черная металлургия. 1993. № 2. С. 29 – 33.Sarychev V.D., Petrunin V.A. Filtration model of plastic deformation. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1993, no. 2, pp. 29–33. (In Russ.).Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Ударные волны большой амплитуды в газах // Успехи физических наук. 1957. Т. 63. № 11. С. 613 – 641.Zel’dovich Ya.B., Raizer Yu.P. Large amplitude shock waves in gases. Uspekhi fizicheskikh nauk. 1957, vol. 63, no. 11, pp. 613–641. (In Russ.).Баранникова С.А., Косинов Д.А., Зуев Л.Б., Громов В.Е., Коновалов С.В. Влияние водорода на макролокализацию пластической деформации низкоуглеродистой стали // Изв. вуз. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 12. С. 891 – 895.Barannikova S.A., Kosinov D.A., Zuev L.B., Gromov V.E., Konovalov S.V. Hydrogen effect on macrolocalization of plastic deformation of low carbon steel. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2016, vol. 59, no. 12, pp. 891–895. (In Russ.).Кузнецов В.А., Громов В.Е., Кузнецова Е.С., Гагарин А.Ю., Косинов Д.А. Аппаратурное обеспечение электростимулированной обработки металлов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 2. С. 157 – 163.Kuznetsov V.A., Gromov V.E., Kuznetsova E.S., Gagarin A.Yu., Kosinov D.A. Equipment provision of electrostimulated metal processing. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 2, pp. 157–163. (In Russ.).Zuev L.B., Gorbatenko V.V., Pavlichev K.V. Elaboration of speckle photography techniques for plastic flow analyses // Measur. Sci. Technol. 2010. Vol. 21. No. 5. P. 054014 – 054019.Zuev L.B., Gorbatenko V.V., Pavlichev K.V. Elaboration of speckle photography techniques for plastic flow analyses. Measur. Sci. Technol. 2010, vol. 21, no. 5, pp. 054014–054019.Федорова А.Ю., Банников М.В., Плехов О.А. Применения метода инфракрасной термографии для определения параметров линейной механики трещин // Вестник ПНИПУ. Механика. 2012. № 2. С. 215– 225.Fedorova A.Yu., Bannikov M.V., Plekhov O.A. Application of infrared thermography method in determining the parameters of linear fracture mechanics. Vestnik PNIPU. Mekhanika. 2012, no. 2, pp. 215–225. (In Russ.).Pengchao Song, Xifeng Li, Wei Ding, Jun Chen. Electroplastic Tensile Behavior of 5A90 Al–Li Alloys // Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.). 2014. Vol. 27. No. 4. P. 642 – 648.Pengchao Song, Xifeng Li, Wei Ding, Jun Chen. Electroplastic tensile behavior of 5A90 Al–Li alloys. Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.). 2014, vol. 27, no. 4, pp. 642–648.Каминский П.П. Необратимая деформация кристаллов как структурное превращение, инициируемое изменением межатомного взаимодействия. Автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. – Томск: ИФПМ СО РАН, 2015. – 39 с.Kaminskii P.P. Neobratimaya deformatsiya kristallov kak strukturnoe prevrashchenie, initsiiruemoe izmeneniem mezhatomnogo vzaimodeistviya: Avtoref. diss... d-ra fiz.-mat. nauk [Irreversible deformation of crystals as a structural transformation initiated by change in interatomic interaction: Extended Abstract of Dr. Sci. Diss.]. Tomsk: IFPM SO RAN, 2015, 39 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.