本书选取国内爆炸事件中常见的水管炸弹为研究对象，如图3.13所示，对前混合式磨料水射流的切割机理进行分析。水管炸弹外壳为普通铸铁材料，通常利用自来水管制成；炸弹内部为各式装药，为研究方便，本书以含RDX的HTPB推进剂为装药进行研究。

图3.13　常见水管炸弹

射流对金属材质水管的切割过程，实质上是金属材料在射流作用下的破坏过程。目前关于金属材料在水射流作用下破坏学说的研究较多，可以归纳为由射流的以下作用引起的。

（1）射流的打击力作用。

（2）水楔作用。(www.daowen.com)

（3）气蚀破坏作用。

（4）射流脉冲载荷引起疲劳作用。

上述作用在材料破坏中同时起作用，但在不同工况条件下，上述作用所处的地位不同，但普遍认为，射流的打击力作用产生的应力超过强度是十分重要的。大量实验和实践表明，在切割金属管时，磨料射流的工作压力一般为35 MPa，即使工作压力降至25 MPa，也能将金属套管割开。例如，根据Powell和Simpon所提出的金属材料在水射流作用下的破坏情况，射流工作压力需超过材料的20倍，才能产生破坏。而自来水管材料的抗拉强度达到948 MPa，割缝所用的磨料密度为2.8 g/cm3，因此磨料射流对材料的打击力仅为相同工作压力水射流的2.8倍。即工作压力为25 MPa的磨料射流的工作压力相当于25×2.8 MPa=70 MPa纯水射流的工作压力，远小于破坏金属35Cr Mo所需的工作压力。因此，从材料在水射流作用下破坏引申出来的材料在磨料射流作用下破坏，主要也是磨料射流最大打击力作用，只因为磨料比重大，材料才可以在低于水射流工作压力下发生破坏。

磨料射流的突出优点就是磨料颗粒的作用，在切割相同金属材质时可以大幅度降低射流工作压力。金属管割缝使用的磨料射流一般仅混入质量比为5%、粒径为0.5～0.8 mm的石榴石，能随流体一道流（在两相流理论称之为稀疏固液两相流），磨料颗粒速度与流体流速可以视为相等。当磨料射流作用于金属材料表面时，材料表面受到射流中的磨料颗粒的撞击瞬间，相当于磨料颗粒与金属材料表面接触，通过很小的接触面，让高速运动颗粒突然停止，产生的巨大作用力传递至被切割的材料，因而在接触物体内部靠近接触面的区域产生很大的压力。当磨料射流冲击被切割材料表面时，与材料表面接触的射流断面上同时有许多的磨料颗粒与材料接触，因而在与射流接触的区域内充满了由于磨料颗粒与材料接触产生的应力而形成的凹坑。在磨料射流连续的冲击下，不断产生新的凹坑，从而连续成凹坑并加深，如射流静止不动将形成孔，其孔径与射流接触材料时断面积相当而稍大；如射流移动就将形成长缝，缝宽与射流接触材料时断面的直径相当而稍宽。在将磨料射流冲击金属材料时，可以见到材料表面被磨料冲击后出现的麻点和凹陷，与相同工作压力水射流冲击情况仍是原状的情况不同。一般金属材料抗剪强度远低于抗拉、抗压强度，因此金属材料的破坏形式是剪切破坏。可以得出结论：金属材料在磨料射流作用下的破坏是在磨料射流中的磨料颗粒，在射流水流的挟持下与材料接触，颗粒以每秒数百米的速度冲击材料而突然停止，因而产生的打击力很大；而磨料颗粒一般近似为圆形，与材料表面的接触面积很小，因而在接触区域产生的接触应力很大。金属材料在磨料射流作用下破坏和被磨料射流切割成缝就是由于磨料射流冲击材料时，磨料颗粒与材料接触产生的接触剪应力超过接触剪强度，微粒从材料本体上剥落，出现凹陷累积而成，这就是磨料射流切割金属管的机理，如图3.14所示。

图3.14　切割金属管示意图