金属切削在高强度、高接触压力、高温以及难切削工件材料的强烈化学侵蚀的条件下，对刀具材料提出了极高的要求。此外，刀具几何形状和切削条件（刃口的微崩、循环啮合和切削液的存在）也会增加严重性。大多数情况下，切削时刀具的使用已经接近极限，尤其是极限热应力和机械应力。
尽管越来越多地使用高性能刀具材料（例如 CVD 和 PVD 涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石），但高速钢 (HSS) 仍然是最常被用于金属切削刀具的材料。它具有相对较高的韧性以及经济地制造复杂几何形状刀具的可能性，证明高速钢在许多切削加工中的使用是合理的。粉末冶金材质的引入与电渣重熔（ESH）和物理气相沉积（PVD）涂层技术相结合，进一步提高了高速钢切削刀具的性能。
图 1. 受到实际热负荷限制的高速钢金属切削刃的原理作用和温度分布
自七十年代末成功推出PVD-TiN涂层以来，高速钢金属切削刀具的学术研究一直集中在开发更好的涂层材料及其沉积技术。
为了了解金属切削中的磨损机理，有必要先简要了解切削刀具与工件材料表面处普遍存在的严酷接触条件（见图 1）。正交切削的模型，它适用于任何切削过程。包括车削、铣削、锯切、钻孔、攻丝、拉削等。通过工件材料的塑性剪切以及工件材料相对于刀具后刀面和前刀面的相对滑动，建立温度曲线。主要热源位于成形切屑的主剪切区以及切屑与刀具之间的摩擦接触处（辅助剪切区），因此在距边缘一定距离的前刀面上达到最高温度。
图 2. 切削力 F 与切削速度 (a) 和进给量 (b) 的关系图。（线性刻度）
要在一张图片中说明作用在刀刃上的力和机械应力并不那么简单，因为它们会随着切削参数的变化而发生很大变化。在断续切削中，它们也可能在各个材料接合期间从入口到出口完全改变。一般来说，总切削力F与切削速度和进给量有关，如图2所示。这表明具有低摩擦系数的涂层可以降低切削力，从而降低刃口温度，进而提切削效率。
我们从失效机制的类型中得知，高速钢切削刀具的使用接近其屈服应力和断裂应力极限。由于切削刃像翻地的犁一样强行穿过工件的内部，因此打开的“裂纹”的两个表面都代表具有高度化学反应性的金属。事实上，该区域无法接触到外部氧气或切削液，这意味着不会形成氧化膜或任何其他保护性夹层。因此，刀刃也暴露在极其恶劣的条件下。
图 3.a) 高速钢与碳钢和奥氏体不锈钢的热硬度 (HV) 比较。还表明碳化物、氮化物和氧化物在整个温度区间内具有优异的热硬度。b) 一些常见刀具材料的室温断裂强度（Rmb）与硬度（HV）。
金属切削刀具必须能够在高温下将高硬度（或高屈服强度）与高断裂强度结合起来（见图 3a）。后者在断续切削中显得尤其重要。高导热率也是理想工具应该具有的特性，因为它会降低局部“热软化”的趋势。
碳化物、氮化物和氧化物的高耐热性表明它们作为保护性薄 PVD 或 CVD 涂层的潜力，而且表明它们以小颗粒形式存在于刀具材料中时的强化能力。然而，它们在大多数加工材料中也很常见，作为强化元素，它们会导致磨粒磨损。
图4.刀具磨损分布示意图
一般来说，使用高速钢刀具进行金属切削时，工件材料在宏观上比刀具软得多（见表1）。然而，许多工件材料含有碳化物、氮化物或氧化物等成分，它们比 HSS 基体更硬 (HV 1500-3000) 且更耐高温，如图 3a 所示，并且会导致刀具因磨损而退化。高韧性、大断裂伸长率（延展性）和加工硬化能力都会在切屑形成过程中产生高温。高温会降低高速钢刀具的强度，但也会促进化学反应以及在刀具和工件材料之间形成金属间相的可能性。这会增加这些材料之间的摩擦，从而进一步加剧情况。
图 5. 磨粒磨损的典型外观。a) 铣刀的月牙洼和后刀面磨损是主要磨损形式。箭头指向相对耐磨的高速钢材料的脊部。还有边缘断裂的证据。工件材料：C型钢。b) 切纸刀。刀具磨损主要是由硬质碳化物抵抗的极其细小的磨损
在比较刀具材料与工件材料的机械性能时必须考虑的另一个事实是，切屑形成通常是在极高的剪切速率下发生的。考虑到高应变率，图3a的工作材料曲线被提升，使得碳钢相应的RT硬度可以很好地匹配切削刃在其工作温度下的硬度，如图中的两个椭圆所示。当热的刀具刃突然遇到冷的加工材料时，这种情况在断续切削中更加突出。
以正交切削为模型，磨损的高速钢切削刀具的一般特征如图 4 所示。主要取决于切削操作、切削参数、工件材料和刀具材料，刀具的性能受到刀尖磨损的限制，后刀面磨损、月牙洼磨损、刃口崩刃或这些磨损的组合。根据相同的参数，磨损要么通过磨粒磨损或黏结磨损、通过塑性变形、通过离散断裂机制造成的更离散的材料损失，或通过这些的组合逐渐发生。
图 6. 切削低碳钢的铣刀中的凹坑。在低放大倍数 (a) 中，主要磨损机制似乎是磨料。然而，特写 (b) 显示它主要由温和的粘合剂成分主导，高速钢材料在切屑流动方向（箭头）发生剪切破碎。
图 4 显示了所用 HSS 刀具的扫描和光学显微镜（分别为 SEM 和 OM）的说明性显微照片，用于演示磨损机制。
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