发布于 2013年12月16日
水射流加工是以一束从小口径孔中射出的高速水射流作用在材料上，通过将水射流的动 能变成去除材料的机械能，对材料进行清洗、剥层、切割的加工技术。水射流是喷嘴流出形成 的不同形状的高速水流束，它的流速取决于喷嘴出口直径及面前后的压力差。加工机理是由 射流液滴与材料的相互作用过程以及材料的失效机理所决定的。
1.射流液滴与材料的相互作用过程
射流液滴接触到物体表面时，速度发生突变，导致液滴状态、内部压力及接触点材料内部 应力场也发生突变。在液/固接触面上存在着一个极高的压应力区域，它对材料的破坏过程起 了重要的作用。射流液滴与材料的相互作用过程如图6. 33所示。当液滴作用于物体表面时， 仅仅在冲击的第一阶段射流才能保持平坦。液/固边缘的液体可自由径向流动。在高速液滴
冲击下，材料表面受冲击区处的中心产生微变形，从而形成突增的局部压力（即水锤压力），液 滴的中心则在强大的水锤压力下处于受压状态。随着液/固边缘液体的径向流动，流体压力得 到释放。同时，压缩波由液/固接触面边缘向中心传播。当其达到中心后，物体表面的压力全 部从最高压力降至冲击液滴的滞止压力，液体内部的受压状态消失。上述作用过程取决于液 滴的大小及压缩波的传递速度，维持的时间极短，仅是微秒量级。过程中液滴内部压力随时间 波动，液滴与材料相互作用过程的最高压力维持的时间也很短（1〜2叫），它同射流压力、射流 结构及压缩波速度有关。
C一水中声速 图6.33射流液滴与材料的相互作用过程
2.材料的失效机理
高压水射流或高速水滴作用于物体表面，会引起材料的结构破坏，这主要是由以下作用造 成的:射流的大机理作用、水楔作用、射流脉冲负荷引起的疲劳破坏作用、气蚀破坏作用等。这 些作用在材料破坏的过程中同时起作用，但在不同工矿条件下及对不同种类的材料而言，上述 作用所带来的影响各有不同。就材料的破坏形式而言，大 致可分为两类:一是以金属为代表的延展性材料在切应力 作用下的塑性破坏；二是以岩石为代表的脆性材料在拉应 力或应力波作用下的脆性破坏。有一些材料在破坏过程 中，两种破坏形式会同时发生。射流作用的初始阶段必须 要有最强的破坏力。射流打击下，材料表面中心部位所产 生的高压应力是材料失效的首要原因，水射流施加在材料 表面极小的区域内，会产生极高的压强，材料内应力随之 ……
而增加，发生变形（如图6. 34所示）。最大应力点位于射流®6'34 —
边界上，该区域内形成的切应力最大。当切应力达到临界
值时（见区域I)，裂纹伴随切屑在材料的表面扩展，随着作用力进一步增加，导致材料失效，使 得更大的应力集中在II区即/?角所限制的范围内。这一过程的特征是材料微粒在射流或磨料 的冲击下迅速自本体分离。
在高压射流破坏材料的过程中，流体对材料的穿透能力也是一个重要影响因素。流体深 人微小裂缝、细小通道和微小孔隙及其他缺陷处，降低了材料的强度，有效地参与了材料的失 效过程。同时，液体穿透进人微观裂缝,在材料内部造成了瞬时的强大压力，结果在拉应力作 用下，微粒从大块材料上破裂出来。所有固体材料都是由不同程度的微观裂缝开始破坏的，这 些裂缝对材料的强度和失效的特性有明显的影响。在射流打击应力作用下，特别是当作用应 力超过材料的强度时，材料内部以及延伸到表面的裂缝数量均有所增加。裂缝的生成与扩展， 最终导致了材料的失效。
从上述分析可以看出，射流冲击力是材料破坏的首要因素，而材料的力学性能(抗拉、抗压 强度）和结构特性(微观裂缝、孔隙率等）以及液体对材料的渗透性等也是影响材料失效速度的 重要因素。