某些研究已经揭示了磨料冲击脆性材料的破坏形式是产生赫兹锥状裂纹 、径向裂纹和横向裂纹的形式,冲击初期,强大的冲击载荷产生的拉应力将首先在岩石表面引起环状的赫兹锥形裂纹。然后,随着接触力的增加,砂粒冲击的正下方将产生塑性变形,切向应力分量引起一系列垂直于冲击表面的径向裂纹,在冲击的后期,砂粒开始卸载并离开岩石时,残余应力会形成一系列近似平行冲击表面的横向裂纹。这些横向裂纹延伸到岩石表面,引起破碎屑或称破碎坑,在中等压力(50MPa)下,砂粒的冲击速度将大大超过使岩石破碎的极限速度,因而可有效切割和破碎岩石。在砂粒冲击岩石产生裂纹的同时,水流在水楔压力作用下挤入裂纹,起到延伸和扩展裂纹的附加作用,从而增强冲蚀破碎能力。
影响水力喷砂射孔切割破碎岩石的因素主要有:流体参数、工作参数、磨料特性和岩石特性。
液体参数的影响受压力(或喷射速度)和喷嘴直径控制,切割岩石深度随压力的增加近似线性增加,存在一个临界门限压力,低于门限压力就不能再切割岩石,较大喷嘴直径能增加切割深度,因为磨料射流的有效速度增加。
工作参数的影响表现为冲击角度及供砂量的影响,最佳冲击角度可取80°,尽可能减少切割面的弯曲,增加垂直作用咋深度方向上的分力。应根据最大切割深度、磨嘴磨损、成本等综合考虑合适的供砂速率,以体积浓度在5%~10%为宜。
磨料特性参数的影响主要体现在对砂粒硬度、粒度、类型、圆度等的影响。硬度的影响是指磨粒抵抗因冲蚀力而破碎的能力,基本要求是磨粒的“硬度”应高于切割岩石的硬度。磨粒的粒度应以中等粒度(0.4~0.8mm)为好。对于大多数磨料,有锐角的颗粒切割效果比球状颗粒好,而对于石英砂,球状颗粒反而切深大,抗拉强度、断裂韧性、杨氏模量对水力喷砂切割深度的影响最明显,相反,对纯水射流切割影响较大的延时参数,如渗透率和粒径等对喷砂切割影响不明显。