铝合金具有比强度高、耐腐蚀性强、塑性和加工性能良好等优点，被广泛应用于航空航天等领域。但由于航天器的应用环境非常严酷，常受到高温、高压等多种条件复合作用，因此航天器对铝合金材料的性能要求也是越来越严格。为了保障航天器的成功率，所用铝合金材料在极端环境下的性能成为研究者关注的热点。目前关于各类铝合金材料动态力学性能的研究主要集中在不同温度和应变率范围内的塑性流变行为及不同牌号铝合金本构模型的拟合。李娜等^[1]研究了2024，7050和LY12铝合金在应变率为10^-3~6000s^-1，温度为77~573K条件下的变形行为，发现3种材料的流动应力对温度都是比较敏感的，且在高温下表现出了不同程度的应变率敏感性。刘文辉等^[2]利用霍普金森压杆装置对2519A铝合金进行了不同温度和不同应变率下的动态冲击压缩实验，并结合金相显微镜与透射电镜对合金在冲击变形后的微观组织进行了分析。Smerd等^[3]研究了AA5754和AA5182 2种铝合金在应变率为10^-3~10³s^-1、温度为23~300℃下的动态力学性能，结果表明2种材料对温度具有较高的敏感性，随着应变率的提高，失效应变增大，并建立了2种材料的Johnson-Cook模型。付秀丽等^[4]通过常规动态压缩实验与正交切削实验相结合的方法研究了7075铝合金在高速切削加工中的动态力学性能, 建立了材料的本构模型。

相对于其他铝合金材料，国内外对于2219铝合金动态力学性能的研究较少，对于计算动态塑性变形的大型商业软件中常用的Johnson-Cook本构模型^[5]可参考的资料也相对较少。2219铝合金属于Al-Cu-Mn系，为析出强化型合金，可进行热处理强化，具有较高的室温强度及良好的高温和超低温性能，广泛应用于航空、航天及其他军民运载工具^[6]，比如我国大型运载火箭及相关型号航天器燃料的贮存箱^[7]。目前，国内外对2219铝合金的研究大都集中在焊接工艺特别是搅拌摩擦焊的研究^[8-10]，同时焊后热处理^[11]、预变形成形工艺^[12]、轧制工艺^[7]等对2219铝合金力学性能影响的研究也有所涉及。但是，2219铝合金在高温、高应变率条件下的流动应力变化规律鲜有报道。为此，本工作利用分离式Hopkinson压杆设备对2219铝合金进行了室温以及高温动态压缩力学性能研究，并利用电子万能试验机对其进行准静态压缩力学性能测试，得到了其在较大温度范围和较宽应变率范围下的力学行为，拟合得到了用以预测实验中材料流动应力的Johnson-Cook模型，为航空材料的发展和火箭的结构设计提供一定依据和技术支持。

1 实验材料与方法 1.1 材料与试样

本实验选用的2219铝合金试样的成分如表 1所示。

试样尺寸为Φ5mm×5mm，在实验前用精细水磨砂纸将每个试样的两个端面打磨光滑以减小变形过程中端面摩擦的影响。

1.2 实验设备及实验原理

准静态压缩实验在电子式万能试验机上完成，实验温度为室温，采用速率控制加载方式，应变率约为10^-3s^-1。

利用分离式Hopkinson压杆设备进行动态压缩实验。Hopkinson压杆实验技术填补了准静态加载与超高应变率加载之间的空缺应变率范围，即10^-2~10⁴s^-1之间，是获得材料在动态加载条件下应力应变关系的主要实验手段^[13]。

本实验采用的带有同步组的Hopkinson装置如图 1所示，其主要由空气炮、子弹、入射杆、透射杆、测试系统和支持系统组成，高温Hopkinson装置的基本原理是利用热电偶丝将试样固定在套管上，套管可在入射杆上任意滑动^[14]，实验中试样上的温度变化通过接在试样的热电偶丝测定。

2 不同温度和应变率下材料的塑性流变行为 2.1 温度对流动应力的影响

在高速铣削过程中，工件材料通常是在较大的应变率下产生变形，且应变率不断变化。Hopkinson压杆装置虽然不能模拟工件在实际加工过程中的应变率变化规律，却可以得到工件在高应变率下的变形行为，为模拟实际加工过程提供依据。从2219铝合金在应变率为2000s^-1时不同温度下的应力-应变曲线(如图 2所示)可以看出，随着温度的升高，应力-应变曲线有明显的下移，且温度越高下移距离越明显，这是由于随着温度的升高，晶格的热振动能增大，晶体内部的晶粒发生再结晶，晶粒变大，引起材料软化。

从图 3所示的2219铝合金流动应力随温度变化曲线可以看出，随着温度的升高，流动应力呈现不断下降的趋势，且下降趋势越来越快。在这一过程中，材料表现出了持续的温度敏感性。

2.2 应变率对流动应力的影响

从2219铝合金在室温下的流动应力-应变率曲线(见图 4) 可以看出，当应变率在1000~3000s^-1范围内时，随着应变率的不断升高，材料的流动应力上升趋势并不明显，虽然应变率强化作用依然存在但并不明显，材料表现出了较低的应变率敏感性。这主要是因为在较高应变率下，材料瞬间大变形产生了大量的热，这些热量在短时间内难以迅速散去而引起试样温度升高，导致材料软化，热软化作用和应变率强化作用相互抵消，宏观上就表现为流动应力对应变率的不敏感。

从2219铝合金在室温下不同应变率时的应力-应变曲线(见图 5) 也可以看出，当应变率在1000~3000s^-1范围内时，材料的流动应力变化并不明显。但在不同应变率下，材料的卸载应变相差较大。

3 本构模型建立 3.1 本构模型

通过上述实验结果分析，得到了材料的应力-应变关系，以此可以构建合适的本构关系模型。在运载火箭外壳这类薄壁结构件加工过程中，工件材料处在高温、高应变、高应变率的情况下发生弹塑性变形，因此构建能够真实反映被加工材料特点的材料本构关系模型，对保证加工过程动态数值模拟结果的正确性和可靠性起到关键作用。

在实际工程应用中，基于实验构建的本构模型得到了广泛应用。本工作基于半经验Johnson-Cook模型，通过实验结果拟合模型参数，以预测不同温度、不同应变率下材料的流动应力。Johnson-Cook模型的公式^[15]为:

(1)

式中：σ为应力，ε为等效塑性应变，为相对塑性应变率，。其中为实验应变率，为参考应变率，通常取为1.0s^-1。T^*为无量纲温度，T^*=(T-T_r)/(T_m-T_r), 其中T为实验温度，T_r为室内温度，T_m为材料熔点，0≤T^*≤1.0。A为材料的屈服应力，n为应变硬化的影响系数，B为与材料相关的常数，C为应变率敏感性系数，m为温度敏感性系数。式中的(A+B εⁿ)，和(1－(T^*)^m)分别代表了材料的加工硬化效应、应变率效应和温度软化效应。

根据2219铝合金的准静态压缩实验、常温动态和高温动态下的实验数据可以确定材料Johnson-Cook本构方程的系数，具体步骤如下：

(1) 在试样处于室温和时，后面2项的结果均为1，则上式简化为:

(2)

根据试样在室温下、应变率为时得到的应力应变曲线，则可以确定A，B，n 3个参数。首先，A代表材料的屈服强度，在准静态压缩实验中得到的屈服应力即塑性应变为0时所对应的应力值，通过观察曲线得出A=170MPa，根据式(2) 以及准静态实验数据可以拟合出B及n。最后得出A=170MPa，B=228MPa，n=0.31。

(2) 当塑性应变ε=0且在室温下时，由式(1) 可以得到常温下的动态屈服应力和应变率的关系

(3)

根据图 5，将数据绘制在半对数坐标纸上，表示截距为1、斜率为C的一条直线，应变率敏感系数C的表达式变为

(4)

通过拟合，得出C=0.028。

(3) 当塑性应变ε=0时，由式(1) 可以得到动态屈服应力与应变率、温度的关系为：

(5)

由所得数据拟合可得m=2.75。

在确定了A，B，C，n，m 5个参数以后，可以得到2219铝合金的Johnson-Cook模型表达式为：

(6)

3.2 拟合结果

利用拟合得到的Johnson-Cook模型，代入数据可以得到材料在不同温度和不同应变率下的应力应变曲线。其中室温下低应变率状况下的实验结果与Johnson-Cook模型拟合结果对比图如图 6所示，可以发现2条曲线近似重合；在应变率为2000s^-1时不同温度下的实验结果与Johnson-Cook模型拟合结果对比图如图 7所示，可以发现4种不同温度各自对应的2组曲线增长趋势基本一致，相应的应力值也基本一致。这说明拟合得到的Johnson-Cook模型能很好地预测实验中材料的流动应力变化规律。

4 结论

(1)2219铝合金的流动应力对温度具有较大的温度敏感性，其随着温度的升高而降低。在高温状态下，材料会发生高温软化现象。

(2)2219铝合金在常温和高温下，其流动应力对应变率的敏感性都较低，不同应变率下材料的卸载应变相差较大。

(3) 在实验所得数据基础上，分析拟合了2219铝合金的Johnson-Cook本构模型，可以预测2219铝合金在动态下的流动应力，以方便有限元仿真模拟。