2219T 852 铝合金在不同温度下的动态弹性模量的变化特性

中图分类号：TG146. 2+1 文献标识码：A

引言

2219-T852 铝合金是一种典型的 Al-Cu 系热处理强化铝合金，具备优异的高温强度、尺寸稳定性和良好的焊接性能，广泛应用于航空航天器贮箱、舱段结构及承压组件中 [1]。在实际服役过程中，该合金常处于 100～350^∘C 的中高温环境，其力学响应特性直接影响结构的稳定性和服役寿命 [2]。弹性模量是衡量材料抗变形能力的重要参数，尤其在动态载荷和振动工况中，其对结构固有频率、波速与疲劳寿命具有重要影响。然而，与强度、蠕变等性能相比，目前关于 2219-T852 铝合金在高温条件下动态弹性模量变化规律的研究仍相对有限，缺乏系统性温度 - 模量演化数据。基于此，研究采用超声波脉冲反射法，在 25 ℃至 350 ℃温度区间内测量 2219-T852铝合金的纵波传播速度，并结合密度修正参数，计算其动态弹性模量。通过分析模量变化趋势，以探讨高温环境对材料刚度的影响规律，为热环境下铝合金结构的工程设计和性能预测提供实验依据。

1. 实验材料与测试方法

1.1 实验材料与试样制备

实验选用的材料为国产商用规格的2219-T852 铝合金板材，材料经过标准的固溶处理、应力消除及稳定化时效处理，具有良好的热稳定性和抗热变形能力。其化学成分符合GB/T 3195-2010 标准，主要合金元素包括约 6.3% 的铜（Cu）、 0.3% 的锰（ Mn ）、 0.25% 的铁（Fe）、 0.06% 的硅（Si），同时含有微量的钛（Ti）和钒（V），其余为铝基体金属 [3]。该合金类型属于典型的 Al-Cu 系高温承力铝合金，广泛用于贮箱筒体、热防护结构及航天器舱段等服役温度变化明显的部位。

试样采用线切割加工而成，取材方向与板材轧制方向一致，以减少各向异性影响。每个试样加工为 100mm×20mm×10mm 的长方体板状结构，并在两端面进行精细打磨与抛光处理，以提高声波在试样中的传播一致性和反射准确性。所有试样在测试前均使用丙酮清洗，去除表面油污及杂质，确保声波耦合效果稳定。

1.2 测试原理与设备配置

动态弹性模量的测试基于超声波脉冲反射法，测量纵波在材料内部的传播速度，并结合材料密度及泊松比进行计算。实验所用超声仪器为 RFDA 型动态弹性模量检测量仪仪（比利时 IMCE 公司生产），配置 5 MHz 频率的纵波直探头，探头直径为 4mm ，具备自动回波识别与高精度时间差判读功能。波形信号通过内置高速 A/D模块采集并传输至数据分析单元进行声程与时间的匹配计算。实验中使用高温润滑硅脂作为耦合剂，能在高达200 ℃的环境中保持良好的声阻抗传导性能，确保高温测试条件下声波信号不失真。

在实际操作过程中，探头通过耦合剂垂直贴合于试样端面，发射的超声脉冲信号在试样另一端面反射回探头，仪器测得从发射到接收的时间差后即可计算纵波声速。最终的动态弹性模量 E 根据式（1）计算。

式（1）中， ρ 为试样密度（单位： g/cm3 ）， V_L 为纵波传播速度（单位： m/s ），泊松比 u 取0.33，为2219 铝合金在工程计算中的推荐值。进一步，密度随温度变化通过线性热膨胀系数进行修正，计算公式见式（2）。

ρ_T=ρ₂₅⋅(1-α⋅(T-25))

式（2）中， ρ₂₅ 值为 2.84g/cm3 ， α 值为 2.2×10^-5/% ，为2219 铝合金在 100-350^∘C 区间内的平均线膨胀系数。

1.3 温控系统与测试流程

试样的升温过程在 HTVP1600C 型高温箱内进行，该设备的温控范围为室温至 350 ℃，控温精度为 ±1C ，升温速度快且温场分布均匀。实验设置5 个温度测试点： 25‰ 、100 ℃、 200^qC 、300C 和 350 °C ，每个温度点下的试样在炉内恒温保持 30 分钟以上，确保试样内部热场均匀。为精确测量试样温度，在试样中心位置贴附 型热电偶并连接至外部温度采集系统，全程实时记录实际温度变化，温度波动范围控制在± 2 ℃以内。

每一温度测试点重复进行三次声速测量，取平均值作为有效数据，以降低偶然误差影响。测试过程中，试样为避免高温氧化影响声波传播质量，其外表面包覆一层厚度约 0.1mm 的石墨纸。

2. 实验结果与分析

2.1 不同温度下的动态弹性模量结果

在完成不同温度条件下的超声波传播测试后，通过测量纵波声速并结合温度修正后的密度，计算得到2219-T852 铝合金在 25-350 ℃范围内的动态弹性模量。各温度点测量重复三次后取平均值，相关测试数据及计算结果见表1。

表1 不同温度下2219-T852 铝合金的声速与动态弹性模量

由表 1 可见，随着温度升高，材料纵波声速逐渐降低，动态弹性模量随之下降。其在 25 ℃下的模量为 74.8GPa ，而在 350 ℃时下降至 61.8GPa ，整体下降幅度达 17.4% 。模量在 100-200 ℃区间内变化较为缓慢，但自 200 ℃起下降趋势明显加剧，300-350 ℃区间下降幅度接近 3.3% ，材料在高温下的弹性刚度劣化较为敏感。随着温度升高，材料晶格热振动增强，原子间结合力减弱，从而降低了宏观弹性响应能力。此外，高温可能导致合金中的强化相如 θ^′ 相发生粗化或溶解，削弱晶界约束力，也会降低声波传播速度，进而引起模量下降。

3. 结论

研究通过超声波脉冲反射法，对 2219-T852 铝合金在 25 ℃至350 ℃范围内的动态弹性模量进行了系统测试。实验结果表明，该合金的纵波声速和动态模量随温度升高呈下降趋势。常温下其动态弹性模量为 74.8GPa ，当温度升高至 350 ℃时下降至 61.8 GPa，下降幅度达到 17.4% 。200 ℃以内模量变化较为平缓，而 300 ℃以上模量下降加速，该材料在中高温区弹性性能退化明显。分析可知，高温下材料的模量下降主要与晶格热振动增强、原子间结合力减弱以及强化相结构稳定性降低等因素有关。研究可为 2219 铝合金构件在高温服役条件下的刚度修正、结构响应预测和可靠性评估提供理论支持。

参考文献

[1] 孙进宝 , 王少华 , 孙刚 , 等 .2219-T852 铝合金锻件的显微组织与力学性能 [J]. 金属热处理 ,2017,42(2):83-86.

[2]Bitter A, Koyamatsu T. Effect of Overaging on Tensile Properties of 2219-T852 Aluminum[J]. 2019.

[3] 高琦 .2219-T8 铝合金温翻边变形与加热温度场 [D]. 大连理工大学 ,2024.