Martensite er en meget hård metastabil struktur med en kropscentreret tetragonal (BCT) krystalstruktur. Martensit dannes i stål, når afkølingshastigheden fra austenit er så høj, at kulstofatomer ikke har tid til at diffundere ud af krystalstrukturen i tilstrækkelig store mængder til at danne cementit (Fe3C). Det er derfor et produkt af diffusionsløs omdannelse. Enhver form for diffusion resulterer i dannelsen af ferrit- og cementitfaser. Den er opkaldt efter den tyske metallurg Adolf Martens (1850-1914).

I modsætning til isotermisk nedbrydning af fasebestanddele ved diffusion er martensit ikke en fase, der er forbundet med termisk ligevægt. Det optræder således ikke på jern-kulstof-ligevægtsfasediagrammet. Det kan betragtes som et omdannelsesprodukt, der konkurrerer med perlit og bainit.

Mikrostrukturen af martensit i stål har forskellige morfologier og kan optræde som enten lamelmartensit eller plademartensit. For stål 0-0,6 % kulstof har martensitten udseende som lath, og kaldes lath martensit. For stål med mere end 1 % kulstof danner den en pladeagtig struktur, der kaldes plademartensit. Plademartensit dannes, som navnet antyder, som lentilformede (linseformede) krystaller med et zigzagmønster af mindre plader. Mellem disse to procentsatser er det fysiske udseende af kornene en blanding af de to. Styrken af martensit reduceres i takt med, at mængden af bevaret austenit vokser.

Martensitisk transformation

Transformationshærdning, også kendt som martensitisk transformationshærdning, er en af de mest almindelige hærdningsmetoder, som primært anvendes til stål (dvs. kulstofstål såvel som rustfrit stål). Den martensitiske omdannelse er dog ikke enestående for jern-kullegeringer. Den findes i andre systemer og er til dels karakteriseret ved den diffusionsløse omdannelse.

Martensitiske stål anvender overvejende højere niveauer af C og Mn sammen med varmebehandling for at øge styrken. Det færdige produkt vil have en duplex-mikrostruktur af ferrit med varierende niveauer af degenereret martensit. Dette giver mulighed for varierende niveauer af styrke. Inden for metallurgi anvendes afkøling oftest til at hærde stål ved at indføre martensit. Der er en balance mellem hårdhed og sejhed i ethvert stål; jo hårdere stålet er, jo mindre sejt eller slagfast er det, og jo mere slagfast det er, jo mindre hårdt er det.

Martensit dannes af austenit som følge af nedkøling, eller en anden form for hurtig afkøling. Austenit i jern-kullegeringer er generelt kun til stede over den kritiske eutektoide temperatur (723 °C) og under 1500 °C, afhængigt af kulstofindholdet. I tilfælde af normale afkølingshastigheder diffunderer kulstoffet ud af austenitten, når austenitten afkøles, og danner kulstoffattigt jernkarbid (cementit) og efterlader kulstoffattig ferrit. Afhængigt af legeringssammensætningen kan der dannes en lagdeling af ferrit og cementit, kaldet perlit. Men i tilfælde af hurtig afkøling har kulstoffet ikke tid nok til at diffundere, og det omdannes til en højt belastet tetragonal form kaldet martensit, der er overmættet med kulstof. Alle kulstofatomer forbliver som interstitielle urenheder i martensit. Afkølingshastigheden bestemmer de relative proportioner af martensit, ferrit og cementit og bestemmer derfor også de mekaniske egenskaber af det resulterende stål, såsom hårdhed, trækstyrke og sejhed.

Tempereret martensit

Den relative evne hos en jernlegering til at danne martensit kaldes hærdningsevne. Hærdbarheden måles almindeligvis som afstanden under en afblændet overflade, hvor metallet udviser en specifik hårdhed på f.eks. 50 HRC eller en specifik procentdel martensit i mikrostrukturen. Den højeste hårdhed for et perlitisk stål er 43 HRC, mens martensit kan opnå 72 HRC. Frisk martensit er meget skørt, hvis kulstofindholdet er større end ca. 0,2 til 0,3 %. Det er så skørt, at det ikke kan anvendes til de fleste anvendelser. Denne skørhed kan fjernes (med et vist tab af hårdhed), hvis det nedkølede stål opvarmes en smule i en proces, der kaldes hærdning. Hærdning opnås ved at opvarme et martensitisk stål til en temperatur under den eutektoide temperatur i et bestemt tidsrum (f.eks. mellem 250°C og 650°C ).

Denne anløbsvarmebehandling muliggør ved diffusionsprocesser dannelsen af hærdet martensit i henhold til reaktionen:

martensit (BCT, enkeltfase) → hærdet martensit (ferrit + Fe3C-faser)

hvor den enkeltfasede BCT-martensit, som er overmættet med kulstof, omdannes til hærdet martensit, der består af de stabile ferrit- og cementitfaser. Dens mikrostruktur ligner mikrostrukturen af spheroidit, men i dette tilfælde indeholder tempereret martensit ekstremt små og ensartet spredte cementitpartikler, der er indlejret i en kontinuerlig ferritmatrix. Tempereret martensit kan være næsten lige så hårdt og stærkt som martensit, men med væsentligt forbedret duktilitet og sejhed.

Martensitisk rustfrit stål

Martensitisk rustfrit stål ligner ferritisk stål ved at være baseret på krom, men har et højere kulstofindhold på op til 1 %. De klassificeres undertiden som martensitisk rustfrit stål med lavt kulstofindhold og højt kulstofindhold. De indeholder 12 til 14 % chrom, 0,2 til 1 % molybdæn og ingen betydelig mængde nikkel. Højere mængder kulstof gør det muligt at hærde og anløbe dem på samme måde som kulstofstål og lavtlegerede ståltyper. De har en moderat korrosionsbestandighed, men anses for at være hårde, stærke, lidt skøre. De er magnetiske, og de kan testes ikke-destruktivt ved hjælp af den magnetiske partikelinspektionsmetode, i modsætning til austenitisk rustfrit stål. Et almindeligt martensitisk rustfrit stål er AISI 440C, som indeholder 16 til 18 % krom og 0,95 til 1,2 % kulstof. Rustfrit stål af kvalitet 440C anvendes til følgende anvendelser: måleblokke, bestik, kuglelejer og løbebaner, forme og matricer, knive.

Som skrevet kan martensitisk rustfrit stål hærdes og anløbes gennem flere måder at ælde/varmebehandle på: De metallurgiske mekanismer, der er ansvarlige for de martensitiske omdannelser, der finder sted i disse rustfri legeringer under austenitisering og nedkøling, er i det væsentlige de samme som dem, der anvendes til hærdning af kulstof- og legeringsstål med lavere legeringsindhold. Varmebehandlingen omfatter typisk tre trin:

• Austenitiseringen, hvor stålet opvarmes til en temperatur i intervallet 980 – 1050 °C afhængigt af kvaliteterne. Austenitten er en kubisk fase med flade centreret fase.
• Skøling. Efter austenitiseringen skal stålene nedkøles. Martensitiske rustfri legeringer kan nedkøles ved hjælp af stillestående luft, vakuum med positivt tryk eller afbrudt olieafkøling. Austenitten omdannes til martensit, en hård kropscentreret tetragonal krystalstruktur. Martensit er meget hårdt og for skørt til de fleste anvendelser.
• Temperering, dvs. opvarmning til ca. 500 °C, fastholdelse ved denne temperatur og derefter luftkøling. Øget anløbstemperatur mindsker flydespændingen og den endelige trækstyrke, men øger strækningen og slagfastheden.

Den rustfrie ståls modstandsdygtighed over for de kemiske virkninger af korrosive stoffer er baseret på passivering. For at passivering kan forekomme og forblive stabil, skal Fe-Cr-legeringen have et minimumsindhold af krom på ca. 10,5 vægtprocent, over hvilket passivitet kan forekomme og under hvilket det er umuligt. Chrom kan bruges som hærdningselement og anvendes ofte sammen med et hærdningselement som nikkel for at opnå overlegne mekaniske egenskaber.

Ultimativ trækstyrke

Ultimativ trækstyrke for martensitisk rustfrit stål – klasse 440C er 760 MPa.

Hårdhed

Brinell-hårdheden af martensitisk rustfrit stål – Grade 440C er ca. 270 MPa.

Andre almindelige faser i stål og jern

Varmebehandling af stål kræver en forståelse af både ligevægtsfaserne og de metastabile faser, der opstår under opvarmning og/eller afkøling. For stål omfatter de stabile ligevægtsfaser:

• Ferrit. Ferrit eller α-ferrit er en fase med kropscentreret kubisk struktur i jern, som eksisterer under temperaturer på 912 °C for lave koncentrationer af kulstof i jern. α-ferrit kan kun opløses op til 0,02 procent kulstof ved 727 °C. Dette skyldes konfigurationen af jerngitteret, som danner en BCC-krystalstruktur. Den primære fase i lavt kulstofindhold eller blødt stål og de fleste støbejern ved stuetemperatur er ferromagnetisk α-Fe.
• Austenit. Austenit, også kendt som jern i gamma-fase (γ-Fe), er en umagnetisk fase af jern med kubisk struktur med ansigtcentreret kubisk struktur. Austenit i jern-kullegeringer er generelt kun til stede over den kritiske eutektoide temperatur (723 °C) og under 1500 °C, afhængigt af kulstofindholdet. Den kan dog bibeholdes til stuetemperatur ved legeringstilsætning af f.eks. nikkel eller mangan. Kulstof spiller en vigtig rolle ved varmebehandling, fordi det udvider temperaturområdet for austenitstabilitet. Et højere kulstofindhold sænker den temperatur, der er nødvendig for at austenitisere stålet – således at jernatomerne omarrangerer sig selv til at danne en fcc-gitterstruktur. Austenit er til stede i den mest almindeligt anvendte type rustfrit stål, som er meget kendt for deres korrosionsbestandighed.
• Grafit. Ved at tilsætte en lille mængde ikke-metallisk kulstof til jern byttes dets store duktilitet mod den større styrke.
• Cementit. Cementit (Fe3C) er en metastabil forbindelse, og under visse omstændigheder kan den bringes til at dissocieres eller nedbrydes til at danne α-ferrit og grafit, alt efter reaktionen: Fe3C → 3Fe (α) + C (grafit), jf. reaktionen Fe3C → 3Fe (α) + C (grafit). Cementit i sin rene form er en keramik, og den er hård og skør, hvilket gør den velegnet til at forstærke stål. Dens mekaniske egenskaber er en funktion af dens mikrostruktur, som afhænger af, hvordan den er blandet med ferrit.

De metastabile faser er:

• Pearlit. I metallurgi er perlit en lagdelt metallisk struktur af to faser, som består af vekslende lag af ferrit (87,5 vægtprocent) og cementit (12,5 vægtprocent), der forekommer i nogle ståltyper og støbejern. Den er opkaldt efter sin lighed med perlemor.
• Martensit. Martensit er en meget hård metastabil struktur med en kropscentreret tetragonal (BCT) krystalstruktur. Martensit dannes i stål, når afkølingshastigheden fra austenit er så høj, at kulstofatomer ikke har tid til at diffundere ud af krystalstrukturen i tilstrækkelig store mængder til at danne cementit (Fe3C).
• Bainit. Bainit er en pladelignende mikrostruktur, der dannes i stål fra austenit, når afkølingshastigheden ikke
  er hurtig nok til at danne martensit, men stadig er hurtig nok til, at kulstof ikke har tid nok til at diffundere til at danne perlit. Bainitiske ståltyper er generelt stærkere og hårdere end perlitiske ståltyper; alligevel udviser de en ønskelig kombination af styrke og duktilitet.