Martenzit je velmi tvrdá metastabilní struktura s tělesově centrovanou tetragonální (BCT) krystalovou strukturou. Martenzit vzniká v ocelích, když je rychlost ochlazování z austenitu tak vysoká, že atomy uhlíku nestihnou difundovat z krystalové struktury v dostatečném množství, aby se vytvořil cementit (Fe3C). Jedná se tedy o produkt bezdifúzní přeměny. Jakákoli difuze vede ke vzniku feritové a cementitové fáze. Je pojmenován podle německého metalurga Adolfa Martense (1850-1914).

Na rozdíl od izotermického rozkladu fázových složek difuzí není martenzit fází spojenou s tepelnou rovnováhou. Neobjevuje se tedy na fázovém diagramu rovnováhy železa a uhlíku. Lze jej považovat za produkt přeměny, který konkuruje perlitu a bainitu.

Mikrostruktura martenzitu v ocelích má různou morfologii a může se jevit buď jako mřížkový martenzit, nebo deskový martenzit. U oceli s obsahem uhlíku 0-0,6 % má martenzit vzhled latě a nazývá se latový martenzit. U oceli s obsahem uhlíku vyšším než 1 % se vytvoří struktura podobná desce, která se nazývá deskový martenzit. Deskový martenzit, jak název napovídá, se tvoří jako čočkovité (čočkovité) krystaly s klikatým vzorem menších desek. Mezi těmito dvěma procenty je fyzikální vzhled zrn směsí obou. Pevnost martenzitu se snižuje s rostoucím množstvím zachovaného austenitu.

Martenzitická přeměna

Transformační kalení, známé také jako martenzitické transformační kalení, je jednou z nejběžnějších metod kalení, která se používá především pro oceli (tj. uhlíkové i nerezavějící oceli). Martenzitická přeměna však není vlastní pouze slitinám železa a uhlíku. Vyskytuje se i v jiných systémech a je částečně charakterizována bezdifuzní přeměnou.

Martenzitické oceli používají ke zvýšení pevnosti převážně vyšší obsah C a Mn spolu s tepelným zpracováním. Hotový výrobek bude mít duplexní mikrostrukturu feritu s různými úrovněmi degenerovaného martenzitu. To umožňuje dosáhnout různé úrovně pevnosti. V metalurgii se kalení nejčastěji používá ke zpevnění oceli zavedením martenzitu. U každé oceli existuje rovnováha mezi tvrdostí a houževnatostí; čím je ocel tvrdší, tím je méně houževnatá nebo odolná proti nárazu, a čím je odolnější proti nárazu, tím je méně tvrdá.

Martenzit vzniká z austenitu v důsledku kalení nebo jiné formy rychlého ochlazení. Austenit ve slitinách železa a uhlíku je obecně přítomen pouze nad kritickou teplotou eutektoidu (723 °C) a pod 1500 °C v závislosti na obsahu uhlíku. V případě normální rychlosti ochlazování dochází při ochlazování austenitu k difúzi uhlíku z austenitu a tvorbě na uhlík bohatého karbidu železa (cementitu) a zanechává za sebou na uhlík chudý ferit. V závislosti na složení slitiny se může vytvořit vrstvení feritu a cementitu, nazývané perlit. V případě rychlého ochlazení však uhlík nemá dostatek času na difúzi a přemění se na vysoce napjatou tělesově soustředěnou tetragonální formu zvanou martenzit, která je přesycena uhlíkem. Všechny atomy uhlíku zůstávají v martenzitu jako intersticiální příměsi. Rychlost ochlazování určuje relativní poměr martenzitu, feritu a cementitu, a proto určuje i mechanické vlastnosti výsledné oceli, jako je tvrdost, pevnost v tahu a houževnatost.

Temperovaný martenzit

Relativní schopnost slitiny železa tvořit martenzit se nazývá kalitelnost. Kalitelnost se běžně měří jako vzdálenost pod kaleným povrchem, při které kov vykazuje specifickou tvrdost například 50 HRC, nebo specifické procento martenzitu v mikrostruktuře. Nejvyšší tvrdost perlitické oceli je 43 HRC, zatímco martenzit může dosáhnout 72 HRC. Čerstvý martenzit je velmi křehký, pokud je obsah uhlíku vyšší než přibližně 0,2 až 0,3 %. Je tak křehký, že jej nelze použít pro většinu aplikací. Tuto křehkost lze odstranit (s určitou ztrátou tvrdosti), pokud se kalená ocel mírně zahřeje v procesu známém jako popouštění. Popouštění se provádí zahřátím martenzitické oceli na teplotu nižší než eutektoid po určitou dobu (například mezi 250 °C a 650 °C).

Toto popouštěcí tepelné zpracování umožňuje difúzními procesy vznik temperovaného martenzitu podle reakce:

martenzit (BCT, jednofázový) → temperovaný martenzit (ferit + Fe3C fáze)

kde jednofázový BCT martenzit, který je přesycen uhlíkem, přechází v temperovaný martenzit složený ze stabilních fází feritu a cementitu. Jeho mikrostruktura je podobná mikrostruktuře sféroiditu, ale v tomto případě temperovaný martenzit obsahuje extrémně malé a rovnoměrně rozptýlené částice cementitu vložené do souvislé feritové matrice. Temperovaný martenzit může být téměř stejně tvrdý a pevný jako martenzit, ale s podstatně zvýšenou tažností a houževnatostí.

Martenzitická korozivzdorná ocel

Martenzitické korozivzdorné oceli jsou podobné feritickým ocelím, protože jsou založeny na chromu, ale mají vyšší obsah uhlíku až do 1 %. Někdy se klasifikují jako nízkouhlíkové a vysokouhlíkové martenzitické korozivzdorné oceli. Obsahují 12 až 14 % chromu, 0,2 až 1 % molybdenu a žádné významné množství niklu. Vyšší množství uhlíku umožňuje jejich kalení a popouštění podobně jako u uhlíkových a nízkolegovaných ocelí. Mají střední odolnost proti korozi, ale jsou považovány za tvrdé, pevné, mírně křehké. Jsou magnetické a na rozdíl od austenitických nerezových ocelí je lze nedestruktivně zkoušet metodou kontroly magnetických částic. Běžnou martenzitickou nerezovou ocelí je AISI 440C, která obsahuje 16 až 18 % chromu a 0,95 až 1,2 % uhlíku. Nerezová ocel třídy 440C se používá v následujících aplikacích: měrné bloky, nožířské výrobky, kuličková ložiska a závodní dráhy, formy a zápustky, nože.

Jak bylo napsáno, martenzitické nerezové oceli lze kalit a popouštět více způsoby stárnutí/tepelného zpracování: Metalurgické mechanismy zodpovědné za martenzitické přeměny, které probíhají v těchto nerezových slitinách během austenitizace a kalení, jsou v podstatě stejné jako mechanismy, které se používají ke kalení uhlíkových a legovaných ocelí s nižším obsahem slitin. Tepelné zpracování obvykle zahrnuje tři kroky:

• Austenitizace, při níž se ocel zahřívá na teplotu v rozmezí 980 – 1050 °C v závislosti na třídě. Austenit je kubická fáze s čelním středem.
• Kalení. Po austenitizaci musí být oceli kaleny. Martenzitické korozivzdorné slitiny lze kalit klidným vzduchem, přetlakovým vakuem nebo přerušovaným kalením v oleji. Austenit se přemění na martenzit, tvrdou tělesově soustředěnou tetragonální krystalovou strukturu. Martenzit je velmi tvrdý a pro většinu aplikací příliš křehký.
• Kalení, tj. zahřátí na teplotu kolem 500 °C, udržování teploty a následné ochlazení na vzduchu. Zvyšováním teploty popouštění se snižuje mez kluzu a mez pevnosti v tahu, ale zvyšuje se prodloužení a odolnost proti nárazu.

Odolnost korozivzdorných ocelí proti chemickým účinkům korozních činidel je založena na pasivaci. Aby pasivace nastala a zůstala stabilní, musí mít slitina Fe-Cr minimální obsah chromu přibližně 10,5 % hmotnostních, při jehož překročení může pasivace nastat a při jehož překročení není možná. Chrom lze použít jako kalicí prvek a často se používá s houževnatým prvkem, jako je nikl, k dosažení vynikajících mechanických vlastností.

Pevnost v tahu

Pevnost v tahu martenzitické korozivzdorné oceli – jakost 440C je 760 MPa.

Tvrdost

Brinellova tvrdost martenzitické korozivzdorné oceli – jakost 440C je přibližně 270 MPa.

Další běžné fáze v ocelích a železech

Tepelné zpracování ocelí vyžaduje pochopení jak rovnovážných fází, tak metastabilních fází, které se vyskytují během ohřevu a/nebo chlazení. U ocelí mezi stabilní rovnovážné fáze patří:

• Ferit. Ferit neboli α-ferit je fáze železa s tělesově soustředěnou kubickou strukturou, která existuje při nízkých koncentracích uhlíku v železe pod teplotou 912 °C. α-ferit se může rozpouštět pouze do 0,02 % uhlíku při teplotě 727 °C. Důvodem je konfigurace mřížky železa, která tvoří krystalovou strukturu BCC. Primární fází nízkouhlíkové nebo měkké oceli a většiny litin je při pokojové teplotě feromagnetický α-Fe.
• Austenit. Austenit, známý také jako gama-fáze železa (γ-Fe), je nemagnetická fáze železa s krychlovou strukturou s centrovaným povrchem. Austenit se ve slitinách železa s uhlíkem obecně vyskytuje pouze nad kritickou eutektoidní teplotou (723 °C) a pod 1500 °C v závislosti na obsahu uhlíku. Lze jej však udržet až do pokojové teploty přídavkem slitiny, například niklu nebo manganu. Uhlík hraje důležitou roli při tepelném zpracování, protože rozšiřuje teplotní rozsah stability austenitu. Vyšší obsah uhlíku snižuje teplotu potřebnou k austenitizaci oceli – tak, že se atomy železa přeskupí a vytvoří mřížkovou strukturu fcc. Austenit je přítomen v nejčastěji používaných typech nerezových ocelí, které jsou velmi dobře známé svou odolností proti korozi.
• Grafit. Přidáním malého množství nekovového uhlíku do železa se vymění jeho velká tažnost za větší pevnost.
• Cementit. Cementit (Fe3C) je metastabilní sloučenina a za určitých okolností může podle reakce disociovat nebo se rozkládat za vzniku α-feritu a grafitu: Fe3C → 3Fe (α) + C (grafit). Cementit v čisté formě je keramika a je tvrdý a křehký, což ho činí vhodným pro zpevňování ocelí. Jeho mechanické vlastnosti jsou funkcí jeho mikrostruktury, která závisí na způsobu jeho smísení s feritem.

Metastabilní fáze jsou:

• Pearlit. V metalurgii je perlit vrstevnatá kovová struktura dvou fází, která se skládá ze střídajících se vrstev feritu (87,5 % hmot.) a cementitu (12,5 % hmot.), která se vyskytuje v některých ocelích a litinách. Je pojmenován pro svou podobnost s perletí.
• Martenzit. Martenzit je velmi tvrdá metastabilní struktura s tělesově centrovanou tetragonální (BCT) krystalovou strukturou. Martenzit vzniká v ocelích, když je rychlost ochlazování z austenitu tak vysoká, že atomy uhlíku nestihnou difundovat z krystalové struktury v dostatečném množství, aby se vytvořil cementit (Fe3C).
• Bainit. Bainit je deskovitá mikrostruktura, která vzniká v ocelích z austenitu, když rychlost ochlazování není dostatečně rychlá
  na vznik martenzitu, ale je stále dostatečně rychlá, takže uhlík nemá dostatek času na difúzi, aby se vytvořil perlit. Bainitické oceli jsou obecně pevnější a tvrdší než perlitické oceli; přesto vykazují žádoucí kombinaci pevnosti a tažnosti.

.