Martensit ist eine sehr harte metastabile Struktur mit einer körperzentrierten tetragonalen (BCT) Kristallstruktur. Martensit bildet sich in Stählen, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit aus dem Austenit so hoch ist, dass die Kohlenstoffatome keine Zeit haben, in ausreichenden Mengen aus der Kristallstruktur zu diffundieren, um Zementit (Fe3C) zu bilden. Es handelt sich also um ein Produkt der diffusionslosen Umwandlung. Jegliche Diffusion führt zur Bildung von Ferrit- und Zementitphasen. Er ist nach dem deutschen Metallurgen Adolf Martens (1850-1914) benannt.

Im Gegensatz zur isothermen Zersetzung von Phasenbestandteilen durch Diffusion ist Martensit keine mit dem thermischen Gleichgewicht verbundene Phase. Daher erscheint er auch nicht im Phasendiagramm des Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichts. Er kann als ein Umwandlungsprodukt betrachtet werden, das mit Perlit und Bainit konkurriert.

Das Mikrogefüge von Martensit in Stählen weist unterschiedliche Morphologien auf und kann entweder als Lattenmartensit oder als Plattenmartensit auftreten. Bei Stahl mit 0-0,6 % Kohlenstoff hat der Martensit das Aussehen von Lattenmartensit und wird als Lattenmartensit bezeichnet. Bei Stahl mit mehr als 1 % Kohlenstoff bildet er eine plattenförmige Struktur, die als Plattenmartensit bezeichnet wird. Plattenmartensit bildet, wie der Name schon sagt, linsenförmige Kristalle mit einem Zickzackmuster aus kleineren Platten. Das physikalische Erscheinungsbild der Körner ist eine Mischung aus diesen beiden Anteilen. Die Festigkeit des Martensits nimmt in dem Maße ab, wie der Anteil des Restaustenits wächst.

Martensitische Umwandlung

Die Umwandlungshärtung, auch martensitische Umwandlungshärtung genannt, ist eine der gebräuchlichsten Härtungsmethoden, die vor allem bei Stählen (d. h. sowohl bei Kohlenstoffstählen als auch bei nichtrostenden Stählen) angewendet wird. Die martensitische Umwandlung ist jedoch nicht nur bei Eisen-Kohlenstoff-Legierungen zu beobachten. Sie kommt auch in anderen Systemen vor und ist zum Teil durch die diffusionslose Umwandlung gekennzeichnet.

Martensitische Stähle verwenden überwiegend höhere C- und Mn-Gehalte und eine Wärmebehandlung zur Erhöhung der Festigkeit. Das fertige Produkt weist ein Duplex-Mikrogefüge aus Ferrit mit unterschiedlichen Anteilen an entartetem Martensit auf. Dies ermöglicht unterschiedliche Festigkeitsgrade. In der Metallurgie wird das Abschrecken am häufigsten verwendet, um Stahl durch Einbringen von Martensit zu härten. Bei jedem Stahl besteht ein Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit; je härter der Stahl ist, desto weniger zäh oder schlagfest ist er, und je schlagfester er ist, desto weniger hart ist er.

Martensit entsteht aus Austenit als Ergebnis des Abschreckens oder einer anderen Form der schnellen Abkühlung. Austenit ist in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen im Allgemeinen nur oberhalb der kritischen eutektoiden Temperatur (723 °C) und unter 1500 °C vorhanden, je nach Kohlenstoffgehalt. Bei normaler Abkühlung diffundiert der Kohlenstoff aus dem Austenit und bildet kohlenstoffreiches Eisenkarbid (Zementit), während kohlenstoffarmes Ferrit zurückbleibt. Je nach Legierungszusammensetzung kann sich eine Schicht aus Ferrit und Zementit, Perlit genannt, bilden. Bei schneller Abkühlung hat der Kohlenstoff jedoch nicht genug Zeit, um zu diffundieren, und wandelt sich in eine hochbelastete tetragonale Form um, die Martensit genannt wird und mit Kohlenstoff übersättigt ist. Alle Kohlenstoffatome verbleiben als interstitielle Verunreinigungen im Martensit. Die Abkühlungsgeschwindigkeit bestimmt die relativen Anteile von Martensit, Ferrit und Zementit und damit auch die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Stahls wie Härte, Zugfestigkeit und Zähigkeit.

Angelassener Martensit

Die relative Fähigkeit einer Eisenlegierung, Martensit zu bilden, wird Härtbarkeit genannt. Die Härtbarkeit wird üblicherweise als der Abstand unter einer abgeschreckten Oberfläche gemessen, bei dem das Metall eine spezifische Härte von z. B. 50 HRC oder einen bestimmten Prozentsatz an Martensit im Gefüge aufweist. Die höchste Härte eines perlitischen Stahls beträgt 43 HRC, während Martensit 72 HRC erreichen kann. Frischer Martensit ist sehr spröde, wenn der Kohlenstoffgehalt mehr als etwa 0,2 bis 0,3 % beträgt. Er ist so spröde, dass er für die meisten Anwendungen nicht verwendet werden kann. Diese Sprödigkeit kann (mit einem gewissen Härteverlust) beseitigt werden, wenn der abgeschreckte Stahl in einem als Anlassen bezeichneten Prozess leicht erwärmt wird. Das Anlassen erfolgt durch Erhitzen eines martensitischen Stahls auf eine Temperatur unterhalb des Eutektoids für eine bestimmte Zeitspanne (z. B. zwischen 250 °C und 650 °C ).

Diese Vergütungswärmebehandlung ermöglicht durch Diffusionsprozesse die Bildung von Vergütungsmartensit gemäß der Reaktion:

Martensit (BCT, einphasig) → Vergütungsmartensit (Ferrit + Fe3C-Phasen)

wobei sich der einphasige BCT-Martensit, der mit Kohlenstoff übersättigt ist, in den Vergütungsmartensit umwandelt, der aus den stabilen Ferrit- und Zementitphasen besteht. Sein Gefüge ähnelt dem von Sphäroidit, aber in diesem Fall enthält der getemperte Martensit extrem kleine und gleichmäßig verteilte Zementitpartikel, die in eine kontinuierliche Ferritmatrix eingebettet sind. Gehärteter Martensit kann fast so hart und fest wie Martensit sein, weist aber eine wesentlich höhere Duktilität und Zähigkeit auf.

Martensitischer nichtrostender Stahl

Martensitische nichtrostender Stähle basieren ähnlich wie ferritische Stähle auf Chrom, haben aber einen höheren Kohlenstoffgehalt von bis zu 1 %. Sie werden manchmal als martensitische nicht rostende Stähle mit niedrigem und hohem Kohlenstoffgehalt klassifiziert. Sie enthalten 12 bis 14 % Chrom, 0,2 bis 1 % Molybdän und keine nennenswerten Mengen an Nickel. Aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts können sie ähnlich wie Kohlenstoffstähle und niedrig legierte Stähle gehärtet und angelassen werden. Sie haben eine mäßige Korrosionsbeständigkeit, gelten aber als hart, fest und leicht spröde. Sie sind magnetisch und können im Gegensatz zu austenitischen nichtrostenden Stählen zerstörungsfrei mit der Magnetpulverprüfmethode untersucht werden. Ein gängiger martensitischer Edelstahl ist AISI 440C, der 16 bis 18 % Chrom und 0,95 bis 1,2 % Kohlenstoff enthält. Nichtrostender Stahl der Sorte 440C wird für folgende Anwendungen verwendet: Endmaße, Besteck, Kugellager und Laufringe, Formen und Matrizen, Messer.

Wie bereits geschrieben, können martensitische nichtrostende Stähle durch verschiedene Arten der Alterung/Wärmebehandlung gehärtet und angelassen werden: Die metallurgischen Mechanismen, die für die martensitischen Umwandlungen verantwortlich sind, die in diesen nichtrostenden Legierungen während des Austenitisierens und Abschreckens stattfinden, sind im Wesentlichen dieselben, die für das Härten von Kohlenstoffstählen und legierten Stählen mit niedrigerem Legierungsgehalt verwendet werden. Die Wärmebehandlung umfasst in der Regel drei Schritte:

• Austenitisierung, bei der der Stahl je nach Sorte auf eine Temperatur im Bereich von 980 – 1050 °C erhitzt wird. Der Austenit ist eine kubisch flächenzentrierte Phase.
• Abschrecken. Nach dem Austenitisieren müssen die Stähle abgeschreckt werden. Martensitische rostfreie Legierungen können mit ruhender Luft, Überdruck-Vakuum oder unterbrochener Ölabschreckung abgeschreckt werden. Der Austenit wandelt sich in Martensit um, eine harte, tetragonale Kristallstruktur mit Körperzentrum. Der Martensit ist sehr hart und für die meisten Anwendungen zu spröde.
• Anlassen, d. h. Erhitzen auf etwa 500 °C, Halten auf Temperatur und anschließendes Abkühlen an der Luft. Eine Erhöhung der Anlasstemperatur verringert die Streckgrenze und die Zugfestigkeit, erhöht jedoch die Dehnung und die Schlagzähigkeit.

Die Beständigkeit nichtrostender Stähle gegenüber den chemischen Auswirkungen von Korrosionsmitteln beruht auf der Passivierung. Damit die Passivierung eintritt und stabil bleibt, muss die Fe-Cr-Legierung einen Mindestchromgehalt von etwa 10,5 Gew.-% aufweisen, oberhalb dessen Passivität eintreten kann und unterhalb dessen sie unmöglich ist. Chrom kann als härtendes Element verwendet werden und wird häufig mit einem zähmachenden Element wie Nickel verwendet, um bessere mechanische Eigenschaften zu erzielen.

Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit von martensitischem rostfreiem Stahl – Güte 440C beträgt 760 MPa.

Härte

Die Brinell-Härte von martensitischem rostfreiem Stahl – Güte 440C beträgt etwa 270 MPa.

Andere häufige Phasen in Stählen und Eisen

Die Wärmebehandlung von Stählen erfordert ein Verständnis sowohl der Gleichgewichtsphasen als auch der metastabilen Phasen, die beim Erhitzen und/oder Abkühlen auftreten. Bei Stählen gehören zu den stabilen Gleichgewichtsphasen:

• Ferrit. Ferrit oder α-Ferrit ist eine kubisch-raumzentrierte Strukturphase des Eisens, die unterhalb von Temperaturen von 912 °C bei geringen Konzentrationen von Kohlenstoff im Eisen existiert. α-Ferrit kann sich nur bis zu 0,02 Prozent Kohlenstoff bei 727 °C auflösen. Dies ist auf die Konfiguration des Eisengitters zurückzuführen, das eine BCC-Kristallstruktur bildet. Die primäre Phase von kohlenstoffarmem oder mildem Stahl und den meisten Gusseisen bei Raumtemperatur ist ferromagnetisches α-Fe.
• Austenit. Austenit, auch bekannt als Gamma-Phase-Eisen (γ-Fe), ist eine nichtmagnetische Phase mit kubisch-flächenzentrierter Struktur des Eisens. Austenit ist in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen im Allgemeinen nur oberhalb der kritischen Eutektoidtemperatur (723 °C) und unter 1500 °C vorhanden, je nach Kohlenstoffgehalt. Er kann jedoch durch Legierungszusätze wie Nickel oder Mangan bis zur Raumtemperatur erhalten werden. Kohlenstoff spielt eine wichtige Rolle bei der Wärmebehandlung, da er den Temperaturbereich der Austenitstabilität erweitert. Ein höherer Kohlenstoffgehalt senkt die für die Austenitisierung des Stahls erforderliche Temperatur, so dass sich die Eisenatome neu anordnen und eine fcc-Gitterstruktur bilden. Austenit ist in den am häufigsten verwendeten Arten von rostfreiem Stahl vorhanden, die für ihre Korrosionsbeständigkeit bekannt sind.
• Graphit. Durch Hinzufügen einer kleinen Menge nichtmetallischen Kohlenstoffs zu Eisen wird dessen hohe Duktilität gegen eine höhere Festigkeit eingetauscht.
• Zementit. Zementit (Fe3C) ist eine metastabile Verbindung, die unter bestimmten Umständen zur Dissoziation oder Zersetzung gebracht werden kann, um α-Ferrit und Graphit zu bilden, je nach Reaktion: Fe3C → 3Fe (α) + C (Graphit). Zementit in seiner reinen Form ist ein keramischer Werkstoff, der hart und spröde ist und sich daher zur Verstärkung von Stählen eignet. Seine mechanischen Eigenschaften hängen von seiner Mikrostruktur ab, die davon abhängt, wie er mit Ferrit gemischt ist.

Die metastabilen Phasen sind:

• Perlit. In der Metallurgie ist Perlit ein zweiphasiges metallisches Schichtgefüge, das sich aus abwechselnden Schichten von Ferrit (87,5 Gew.-%) und Zementit (12,5 Gew.-%) zusammensetzt und in einigen Stählen und Gusseisen vorkommt. Es ist nach seiner Ähnlichkeit mit Perlmutt benannt.
• Martensit. Martensit ist ein sehr hartes metastabiles Gefüge mit einer körperzentrierten tetragonalen (BCT) Kristallstruktur. Martensit bildet sich in Stählen, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit aus dem Austenit so hoch ist, dass die Kohlenstoffatome keine Zeit haben, in ausreichenden Mengen aus der Kristallstruktur zu diffundieren, um Zementit (Fe3C) zu bilden.
• Bainit. Bainit ist ein plattenförmiges Gefüge, das sich in Stählen aus Austenit bildet, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit nicht schnell genug
  ist, um Martensit zu erzeugen, aber immer noch schnell genug ist, damit der Kohlenstoff nicht genug Zeit hat, um zur Bildung von Perlit zu diffundieren. Bainitische Stähle sind im Allgemeinen fester und härter als perlitische Stähle; dennoch weisen sie eine wünschenswerte Kombination aus Festigkeit und Duktilität auf.