Research of transient processes under the influence of high-density pulsed current on metal samples made of copper and aluminum to stimulate electroplastic deformation
DOI:
https://doi.org/10.54708/26587572_2026_832691Keywords:
Electroplastic deformation, electroplastic effect, pulse current, Joule heating, metals and alloys, transient process, tension, temperature, mathematical model, MatLabAbstract
The work is devoted to the study of transient processes under the influence of high-density pulsed current on metal samples made of copper and aluminum to stimulate electroplastic deformation (EPD). These processes are directly related to the electroplastic effect, which is manifested in a decrease in the resistance of metal to plastic deformation and an increase in its plasticity when passing high-density current pulses under mechanical stress above the yield point. Since copper and aluminum are used in the mass production of wires, choosing the optimal parameters for stimulating the EPD of these metals is a particularly important task. A mathematical model has been developed that includes the sequential solution of three related problems: electromagnetic, thermal, and mechanical. A step-by-step implementation of the model in the MATLAB software package is presented. Using the geometric parameters of the samples in the form of copper and aluminum wires, their physical properties and current pulse parameters, the final code of the computer model was compiled in MATLAB. As a result of the simulation, graphs of the average wire temperature, Mises tension, wire deformation, and current density were obtained. Based on the conducted research, practical recommendations for stimulating EPD are proposed, which are reduced to the optimal choice of parameters, the need for temperature control and a decrease in current density or frequency when the temperature exceeds 400 K.References
Skvortsov O.B., Stashenko V.I., Savenko V.S. Kinetic processes in metals and alloys under electric pulse treatment used to induce the electroplastic effect // Bulletin of the Belarusian-Russian University. 4(85), 74–84 (2024). (In Russian) [Скворцов О.Б., Сташенко В.И., Савенко В.С. Кинетические процессы в металлах и сплавах при электроимпульсном воздействии, используемом для получения электропластического эффекта // Вестник Белорусско-Российского университета. 4(85), 74–84 (2024)]. DOI: 10.24412/2077-8481-2024-4-74-84.
Troitskii O.A. Electromechanical effect in metals // Pis’ma v ZhETF. 2(10), 18–22 (1969). (In Russian) [Троицкий О.А. Электромеханический эффект в металлах // Письма в ЖЭТФ. 2(10), 18–22 (1969)].
Troitskii O.A., Gusev E.V. Electroplastic effect in indium (In) // Strength of Materials. 5(12), 1476–1479 (1973). DOI: 10.1007/BF00771842.
Troitskii O.A., Maistrenko L.G. Electroplastic deformation in metals // Soviet Materials Science. 8(6), 686–689 (1974). DOI: 10.1007/BF00722924.
Stashenko V.I., Troitskii O.A. Influence of pulsed current peak on the creep rate of zinc crystals // Strength of Materials. 14(10), 1337–1341 (1982). DOI: 10.1007/BF00770130.
Roshchupkin A.M., Troitskii O.A., Spitsyn V.I., Stashenko V.I. Advanced concepts regarding the effect of high-density current on the plastic deformation of metals // Doklady Akademii Nauk SSSR. 286(3), 633–636 (1986). (In Russian) [Рощупкин А.М., Троицкий О.А., Спицын В.И., Сташенко В.И. Развитые концепции о действии тока высокой плотности на пластическую деформацию металлов // Доклады Академии наук СССР. 286(3), 633–636 (1986)].
Okazaki К., Kagawa М., Conrad Н. A study of the electroplastic effect in metals // Scripta Metallurgica. 12(11), 1063–1068 (1978). DOI: 10.1016/0036-9748(78)90026-1.
Bryzgalov V.A., Dmitriev S.V., Korznikova E.A., Bebikhov Yu.V. Molecular dynamics simulation of the dislocation electroplastic effect in a single crystal // Frontier Materials & Technologies. 3, 61–68 (2022). (In Russian) [Брызгалов В.А., Дмитриев С.В., Корзникова Е.А., Бебихов Ю.В. Моделирование дислокационного электропластического эффекта в монокристалле методом молекулярной динамики // Frontier Materials & Technologies. 3, 61–68 (2022)]. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-3-1-61-68.
Abdullina D.U., Bebikhov Yu.V., Tatarinov P.S., Dmitriev S.V. Review of recent advances in the field of electroplastic metal forming // Fundamental’nye Problemy Sovremennogo Materialovedeniya. 20(4), 469–483 (2023). (In Russian) [Абдуллина Д.У., Бебихов Ю.В., Татаринов П.С., Дмитриев С.В. Обзор последних достижений в области электропластической обработки металлов давлением // Фундаментальные проблемы современного материаловедения, 20(4), 469–483 (2023)]. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2023.04.006.
Morkina A.Y., Tarov D.V., Yakushev I.A., et al. Effect of electroplasticity studied for aluminum wires under tension // Procedia Structural Integrity. 65, 158–162 (2024). DOI: 10.1016/j.prostr.2024.11.025.
Kukudzhanov K.V., Khalikova G.R., Korznikova E.A., et al. Healing of long fatigue cracks in steel plates by high-density current pulses // Mechanics of Solids. 59(5), 3223–3234 (2024). DOI: 10.1134/S0025654424605949.
Morkina A.Y., Tarov D.V., Tatarinov P.S., et al. Electric pulse treatment of grade 5 titanium alloy plates after bending to reduce springback effect // Mechanics of Solids. 60(3), 2344–2352 (2025). DOI: 10.1134/S0025654425601971.
Kukudzhanov K.V., Korznikova E.A., Chentsov A.V., Dmitriev S.V. A novel approach to determining the parameters of electric pulse healing of fatigue cracks // Materials Letters. 404, 139565 (2026). DOI: 10.1016/j.matlet.2025.139565.
Astanin V.V., Khayrullina D.R., Pavlova T.E., et al. Electroplastic effect in the process of electromagnetic forming // Materials. Technologies. Design. 6(3), 5–17 (2024). (In Russian). [Астанин В.В., Хайруллина Д.Р., Павлова Т.Е. и др. Электропластический эффект в процессе электромагнитной формовки // Materials. Technologies. Design. 6(3), 5–17 (2024)]. DOI: 10.54708/26587572_2024_63185.
Korolkov O.E., Misochenko A.A., Stolyarov V.V. Electroplastic effect in titanium during compression // Industrial Laboratory. Diagnostics of Materials. 90(12), 65–71 (2024). (In Russian) [Корольков О.Е., Мисоченко А.А., Столяров В.В. Электропластический эффект в титане при сжатии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 90(12), 65–71 (2024)]. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-12-65-71.
Khayrullina D.R., Pavlova T.E., Kozlov E.D., et al. Electroplastic effect in electromagnetic forming technology // Molodoi Uchenyi. 25(524), 31–35 (2024). (In Russian). [Хайруллина Д.Р., Павлова Т.Е., Козлов Е.Д. и др. Электропластический эффект в технологии электромагнитной штамповки // Молодой ученый. 25 (524), 31–35 (2024)].
Pochivalov Yu.I. Structure and properties of low-alloy steel 10G2FBYu after rolling in profiled rolls under electroplasticity conditions // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Chernaya Metallurgiya. 66(6), 659–665 (2023). (In Russian) [Почивалов Ю.И. Структура и свойства малолегированной стали 10Г2ФБЮ после прокатки в рельефных валках в условиях электропластичности // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 66(6), 659–665 (2023)]. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-6-659-665.
Vovchenko A.I., Demidenko L.Yu., Polovinka V.D. Influence of current pulse parameters on the development of physical contact during pressure welding of metals // Electronic Processing of Materials. 49(4), 30–34 (2013). (In Russian) [Вовченко А.И., Демиденко Л.Ю., Половинка В.Д. Влияние параметров импульсов тока на развитие физического контакта при сварке металлов давлением // Электронная обработка материалов. 49(4), 30–34 (2013)].
Savenko V.S., Yangsi Ch. Improving the operating characteristics of aluminium by electroplastic deformation // Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical Series. 69(4), 286–296 (2024). (In Russian) [Савенко В.С., Чэнь Я. Повышение эксплуатационных характеристик алюминия путем электропластической деформации // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. 69(4), 286–296 (2024)]. DOI: 10.29235/1561-8358-2024-69-4-286-296.
Semenova M.N., Bebikhov Y.V., Semenov A.S. Increasing the corrosion resistance of metal alloys by affecting dislocations during electrical pulse treatment // Proceedings of SPIE. 14165, 1416502 (2026). DOI: 10.1117/12.3108510.
Minko D.V. Analysis of the prospects of the application of the electroplastic effect in the processes of processing metals with pressure // Foundry Production and Metallurgy. 4, 125–130 (2020). (In Russian) [Минько Д.В. Анализ перспектив применения электропластического эффекта в процессах обработки металлов давлением // Литье и металлургия. 4, 125–130 (2020)]. DOI: 10.21122/1683-6065-2020-4-125-130.
Troitskii O.A. Electron-plastic effect in metals // Problemy Prochnosti. 2, 176 (1984).
Zhang Q., Chen C., Yang H., Zhang J. Optimization of micropillars electroplating bonding processes and additives // Journal of Electronic Packaging. 147(2), 021008 (2025). DOI: 10.1115/1.4067651.
Stashenko V.I., Skvortsov О.B. Studying the fastflowing mechanical and electrical processes in metals taking into account the electroplastic effect // Tsvetnye Metally. 1, 10 (2026). DOI: 10.17580/tsm.2026.01.10.
Savenko V.V. Electroplastic deformation by twinningmetals // Acta Mechanica et Automatica. 12(4), 259–264 (2018). DOI: 10.2478/ama-2018-0039.
Hu M., Jin G., Li Z., et al. Study on deformation behavior and constitutive models of tungsten alloys under electroplastic effects // Advanced Engineering Materials. 28(8), e202502704 (2026). DOI: 10.1002/adem.202502704.
Khan M.A., Riaz U., Jahangir A., et al. Temperature-dependent nonlocal micropolar fractional thermoelasticity for Rayleigh waves in skin tissue // Applications in Engineering Science. 26, 100331 (2026). DOI: 10.1016/j.apples.2026.100331.
Stolyarov V., Misochenko A. A pulsed current application to the deformation processing of materials // Materials. 16(18), 6270 (2023). DOI: 10.3390/ma16186270.
Yixin D., Dongyao J., Mengfan Y. Research on corrosion detection method of pipeline under thermal insulation with heat trace wire // Proceedings of SPIE. 13159, 131594M (2024). DOI: 10.1117/12.3024251.
Kuznetsov V.A., Kuznetsova E.S., Gromov V.E., Kosinov D.A. Automatic control of electrostimulated drawing // Steel in Translation. 48(8), 495–500 (2018). DOI: 10.3103/S0967091218080065.
Lurie S., Belov P. On model of coupled thermomechanics and electrodynamics // Advanced Structured Materials. 223, 421–448 (2025). DOI: 10.1007/978-3-031-90022-8_27.
Niu H.T., Gao P.F., Li H.W., et al. Electroplasticity of metallic materials: Electroplastic effect, mechanism, and models // Materials Today. 97, 103355 (2026). DOI: 10.1016/j.mattod.2026.103355.
Tatarinov P.S., Tatarinov V.P., Morkina A.Yu. et al. Development of a hardware and software complex for automation of measurements in the study of the electroplasticity effect // Industrial Laboratory. Diagnostics of Materials. 92(7), 68–76 (2026). (In Russian) [Татаринов П.С., Татаринов В.П., Моркина А.Ю. и др. Разработка аппаратно-программного комплекса для автоматизации измерений в исследовании электропластического эффекта // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 92(7), 68–76 (2026)]. DOI: 10.26896/1028-6861-2026-92-7-68-76.
Tatarinov P.S., Tatarinov V.P., Sugonyako I.S., et al. Automated laboratory setup for the development of methods for electrical discharge machining of metals // Izvestiya of Altai State University. 1(147), 56–62 (2026). (In Russian) [Татаринов П.С., Татаринов В.П., Сугоняко И.С. и др. Автоматизированная лабораторная установка для разработки методов электроимпульсной обработки металлов // Известия Алтайского государственного университета. 1, 56–62 (2026)]. DOI: 10.14258/izvasu(2026)1-07.
Semenov A.S., Semenova M.N., Bebikhov Yu.V., Yakushev I.A. Mathematical and simulation modeling in the study of the electroplastic effect in metals // Computational Mathematics and Modeling. 37, 51–59 (2026). DOI: 10.1007/s10598-025-09650-y.
Semenov A.S., Tatarinov V.P., Tatarinov P.S., Yakushev I.A. Computer simulation of the discharge process of a capacitor bank through a sample in the form of a copper wire // Vestnik of North-Eastern Federal University. 22(4), 56–66 (2025). (In Russian) [Семёнов А.С., Татаринов В.П., Татаринов П.С., Якушев И.А. Компьютерное моделирование процесса разряда конденсаторной батареи через образец в виде медной проволоки // Вестник Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова. 22(4), 56–66 (2025)]. DOI: 10.25587/2222-5404-2025-22-4-56-66.
Tatarinov V.P., Tatarinov P.S., Semenov A.S., et al. Development of the method for measuring large magnitude pulse currents for studying the electroplastic effect and its modeling. In: 7th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). IEEE, 2025 P. 967–971. DOI: 10.1109/SUMMA68668.2025.11302308.
Tatarinov V.P., Tatarinov P.S., Bebikhov Yu.V., et al. Development of a method for measuring pulse currents of large magnitude // Vestnik of North-Eastern Federal University. 21(1), 81–88 (2024). (In Russian) [Татаринов В.П., Татаринов П.С., Бебихов Ю.В. и др. Разработка способа измерения импульсных токов большой величины // Вестник Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова. 21(1), 81–88 (2024)]. DOI: 10.25587/2222-5404-2024-21-1-81-88.
Morkina A.Y., Tarov D.V., Korznikova E.A., et al. Effect of current pulse parameters on the electroplasticity of tensioned copper wires // European Journal of Mechanics A/Solids. 118, 106078 (2026). DOI: 10.1016/j.euromechsol.2026.106078.
Morkina A.Y., Tarov D.V., Khalikova G.R., et al. Comparison of the effect of electroplasticity in copper and aluminum // Facta Universitatis. Series: Mechanical Engineering. 22(4), 615–632 (2024). DOI: 10.22190/FUME240920049M.
Dmitriev S.V., Morkina A.Y., Tarov D.V., et al. Effect of repetitive high-density current pulses on plastic deformation of copper wires under stepwise loading // Spectrum of Mechanical Engineering and Operational Research. 1(1), 27–43 (2024). DOI: 10.31181/smeor1120243.
Morkina A.Yu., Tarov D.V., Naumova D.M., et al. Effect of repetitive high-density current pulses on plastic deformation of copper wires // Izvestia Ufimskogo Nauchnogo Tsentra RAN. (3), 15–23 (2024). (In Russian) [Моркина А.Ю., Таров Д.В., Наумова Д.М. и др. Влияние повторяющихся импульсов тока высокой плотности на пластическую деформацию медных проводов // Известия Уфимского научного центра РАН. (3), 15–23 (2024)]. DOI: 10.31040/2222-8349-2024-0-3-15-23.
Sugonyako I.S., Tarov D.V., Korznikova E.A., Khalikova G.R., Semenov A.S., Kukudzhanov K.V., Dmitriev S.V. Microstructure of 09G2S steel near a fatigue crack healed by pulsed current // Preprints.org (Posted: 10 November 2025). DOI: 10.20944/preprints202511.0698.v1.
Bryzgalov V.A., Morkina A.Yu., Abdullina D.U., et al. High-density pulsed current: A review of its role in healing macrocracks in metals // Materials. Technologies. Design. 6(2), 38–58 (2024). (In Russian) [Брызгалов В.А., Моркина А.Ю., Абдуллина Д.У. и др. Обзор исследований по залечиванию макротрещин в металлах под действием импульсного тока высокой плотности // Materials. Technologies. Design. 6(2), 38–58 (2024)]. DOI: 10.54708/26587572_2024_621738.
Dmitriev S.V., Bebikhov Yu.V., Tatatinov P.S., et al. Dynamics of the sample-weight system in an experimental setup for studying the electroplasticity effect // Mechanics of Solids. 61, 141–150 (2026). DOI: 10.1134/S0025654426601631.
Morkina A.Yu., Tarov D.V., Lutfullin R.Ya., et al. Pulse current treatment of grade 5 titanium plates after bending to reduce springback effect // Basic Problems of Material Science. 22(3), 324–334 (2025). (In Russian) [Моркина А.Ю, Таров Д.В., Лутфуллин Р.Я. и др. Обработка импульсным током пластин титанового сплава ВТ6 после гибки для ослабления пружинения // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 22(3), 324–334 (2025)]. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2025.03.008.
Sugonyako I.S., Morkina A.Yu., Tarov D.V., et al. Review of recent work on electric pulse treatment of steels to improve their properties // Basic Problems of Material Science. 22(3), 342–358 (2025). (In Russian) [Сугоняко И.С., Моркина А.Ю, Таров Д.В. и др. Обзор последних работ по электроимпульсной обработке сталей с целью улучшения их свойств // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 22(3), 342–358 (2025)]. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2025.03.010.
Semenova M.N., Bebikhov Yu.V., Tatarinov V.P., et al. Review of technology and first results in the field of electropulsed treatment of metals and alloys based on the electroplasticity effect // Basic Problems of Material Science. 23(1), 106–123 (2026). (In Russian) [Семёнова М.Н., Бебихов Ю.В., Татаринов В.П. и др. Обзор технологий и первых результатов в области электроимпульсной обработки металлов и сплавов на основе эффекта электропластичности // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 23(1), 106–123 (2026)]. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2026.01.012.
Dmitriev S.V., Tatarinov P.S., Tatarinov V.P., et al. Program for the automatic normalization of a current pulse based on the charge of a capacitor bank. Computer program registration certificate RU 2025660558, April 24, 2025. Application No. 2025618911 dated April 17, 2025. (In Russian) [Дмитриев С.В., Татаринов П.С., Татаринов В.П. и др. Программа для автоматической нормировки импульса тока по величине заряда батареи конденсаторов. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2025660558, 24.04.2025. Заявка № 2025618911 от 17.04.2025].
Dmitriev S.V., Tatarinov P.S., Semenov A.S., et al. Automated laboratory setup for the experimental investigation of electro-pulse metal processing methods. Eurasian invention patent No. 052382, 04.02.2026. Application No. 202591802 dated 09.07.2025. Bulletin No. 2 / 2026. 16 p. (In Russian) [Дмитриев С.В., Татаринов П.С., Семёнов А.С. и др. Автоматизированная лабораторная установка для экспериментального исследования способов электроимпульсной обработки металлов. Евразийский патент на изобретение № 052382, 04.02.2026. Заявка № 202591802 от 09.07.2025. Бюллетень № 2 / 2026. 16 с.].
