水那么软，为什么能切割钢铁等材料？ _切割

流动的水能切割坚硬的钢铁，可以说是以柔克刚的典范。另外，水刀的切割是以“牺牲”大量的水换来的，又可以说是以多欺少的实例。水刀的切割效果，全靠持续谁呀产生的冲击力。下面，我们一起从力学原理的深度，探讨一下。

1、为什么材料会被破坏？——强度理论简介

钢铁和水，强弱对比非常明显。那么如何来衡量这个强弱程度呢？力学上，对于固体材料，应力应变曲线（下图）上的屈服极限、强度极限等都可以作为材料强度的衡量。这些极限说明，只要材料内部的应力不超过这些极限，就不会发生问题。对于破坏来讲，强度极限是一个比较准则。对于失效来讲，屈服极限是比较准则。

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真正的强度理论远比上面的描述更加复杂，如果你感兴趣可以关注我的《材料力学》专栏，里面有详细的讲解。常用的强度理论有4个，对于钢铁这类塑性材料，第三、第四强度理论较为适用。但是，这里必须指出，强度理论指的失效，并不一定就发生破坏了。从失效到破坏，还有一段距离。

所以说，只要外载荷引起的物体内部应力达到一定程度，物体就会被破坏。

2、水流的冲击力究竟有多大？——动量定理的应用

物理常识告诉我们，水流的冲击力与水压有关。水压越大，喷口的流速也就越快。实际上，水压只是其中一个因素，喷口流速的大小，还与喷口的尺寸有关。根据伯努利方程，喷口越小，流速就会越大。所以，我们见到的高压水枪的喷口都比较小（如下图），这样才能尽可能提高喷口流速。

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只有提高了喷口的流速，造成的冲击力才有可能更大。这里，我用的是“有可能”来描述。因为冲击力的大小，还与被冲击的物体有关。同样的流速，同样的距离下，橡胶和钢铁产生的冲击力不一样。就像我们从高处跳下，在软软的橡胶上会觉得舒服，在硬硬的钢铁上则可能会断腿。根本原因就在于动量定理：mv=Ft 。当mv相同的时候，力的作用时间就决定了力的大小。这个时间就是缓存时间，材料的变形时间，与弹性模量有关。更多关于动量定理的解释，可以参考我的《理论力学动力学》专栏。

所以说，水刀能切割钢铁，与钢铁本身较“硬”有关。

3、水与钢铁的作用其实是不对等的消耗——以多胜少

水与钢铁的切割过程中，两者的消耗是不对等的。钢铁被冲击产生破坏，需要时间的积累，而且产生破坏的点也仅仅是水流的冲击点。但是，想要维持这个冲击力，则需要大量的水持续的冲击。

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按照这样的消耗，即使是用一张普通的A4纸，慢慢地磨，也能把钢铁磨掉。所以，冲击速度，是为了缩短这个过程，提高效率。就像水滴石穿，冲击速度不快，经验累月，用大量的水，去消耗掉那一点点的石头，下图。

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4、水刀与钢铁的相互作用机理——更深层的力学分析

水刀的切割作用机理与磨床类似，与切割刀的作用机理完全不一样。水刀的切割，其实是磨出来的效果。

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当水流从喷口流出时，与钢铁的边缘接触到，初始时刻钢铁边缘受到水刀的集中力，表面应力超出极限值，被破坏形成凹坑，下图。水流在凹坑内高速流动，在冲击点附近由于冲击力巨大，持续地摩擦钢铁，这种破坏形式与摩擦损耗一样。水流就这样，一点一滴地“慢慢”蚕食着钢铁，最终把钢铁完全切割开。

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采用流固耦合的方法，设定好材料的断裂参数，完全可以将这个过程模拟出来。这样，也就可以为水刀设计提供理论依据。

5、总结

水刀虽然是水，跟钢铁不能比。但是，由于水刀的流速快，形成的冲击力大，当钢铁承受不了这个冲击力的时候，就发生破坏。这种破坏与一般的刀具切割不一样，属于磨损破坏。但是，这个过程需要消耗大量的水。虽然以柔克刚，但是以多胜少。

其他网友观点

物尽其用在水这种物质上表现得淋漓尽致

水那么软，为什么能切割钢铁？我国水刀的最大压强420MPa！水被人类誉为生命之源，地球表面大约72%的部分都被其覆盖，更是我们时刻呼吸的空气中的重要组成部分。从饮用水到农业灌溉，水可以说是我们日常生活中最为常见的一种物质。但并没有多少人对水有足够深入的了解，尤其是它在现代科学技术的利用下所发挥的重大作用。

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古人云：“绳锯木断，水滴石穿。”，意喻即便是再细微的力量，只要坚持不懈便能成就难能的功劳。而当代人则研究出了以水为刀的高压水射流切割技术，也就是最理想的冷切割机具水刀。或许，对于很多不曾从事相关工作的人而言，可能会觉得水如此柔软的物质，怎么可能将坚硬无比的钢铁等材料切割开！

水切割-最理想得切割机具

事实上，切割的方法有很多种，除了冷切割之外，还有摩擦切割发、切削法、化学法和电烧蚀切割法。而我们今天需要了解的是冷切割这种特殊的切割方法，在此类切割方法实施的过程中，可以在保持原来材料特性的基础上不产生高温（一般在40摄氏度以下）。

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虽然，有不少的切割工具都能达到冷切割作业的基本目的，比如：液压水冷切割锯、线切割、水切割、水冷切割锯、水冷锯片切割机等。但是，当切割环境周围存在易燃易爆物品的时候，则会将冷切割的作业要求进一步提高。在切割机具的选择上，有不少人都存在安全切割作业上的误区，倘若将燃油机切割锯和液压锯当作安全的冷切割机具，便是非常危险的一件事。

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在所有切割机具中，水切割才是最理想的切割机具，它包含了低压水切割和超高压水切割两种主要类别。这是两种完全不同的水切割，而真正意义上安全的冷切割机具，则非低压水切割具莫属。因为另一种高压水切割，很可能会导致射流和高压冲击高速摩擦，而该过程中产生的静电则会为作业带来危险。

在实施安全切割作业的时候，我们是无法彻底消除环境中的静电的，能做的只有将其控制在不会导致易燃易爆物品被引爆的范围之内。而整个切割过程，也需要尽量保持切割冲击力较小，从而使得静电和温度都在这个切割的过程中被摩擦吸收。

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以水为刀-高压水射流切割技术

在2011年之前，水刀都是一种不太被人重视的机械产品。究其原因，则主要因为这是一种新技术带来的机械产品，不同于一般电子产品浓厚的科技感和技术神秘感。直到水刀有了更小、更安全的类型，并不再局限于非危险领域使用的尴尬境地时才得以被更多人所熟知。而以水为刀的水刀，其原名实为高压水射流切割技术。

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水刀被青睐的根本原因，就在于这种冷切割方式不会导致材料的物理化学性质发生改变。很多切割方法的应用都会因为材料品种而受到限制，但任何材料都能够通过水刀，实现任意曲线上的一次性切割加工。不管是在玻璃勋和陶瓷行业，还是金属和石材等行业，水刀都已经被人们广泛应用。

而我国水刀的最大压强，更是达到了420MPa，就连5轴水刀也日趋成熟。在水刀进行作业过程中所产生的热量，并不会对生产过程带来危险，而是被高速流动的水射流一并带走。整个过程更不会有其他有害物质的产生，冷态切割可以让材料不产生热效应。

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并且，被切割好的材料也不需要、也更容易进行二次加工。简而言之，水切割是一种适用性特别强大的切割方式，而高效率、快速度，以及环保和安全，都是它最大的优势和基本特性。当然，水刀也会根据不用的划分依据被分为不同的种类。比如，从压力属性这个角度来说，水刀可以分为200MPa以上的超高压型、100MPa以上的高压型，以及100MPa以下的低压型。

而小型水切割和大型水切割（设备的大小）、非安全切割类和安全切割类（安全切割）、后混式和前混式（技术原理）、加沙切割和无沙切割（加沙情况），以及龙门式和悬臂式（机械结构），其实都是从不同的角度对水刀进行了分类。