Martensiitti on erittäin kova metastabiili rakenne, jonka kiderakenne on kappalekeskeinen tetragonaalinen (BCT). Martensiitti muodostuu teräksissä, kun jäähtymisnopeus austeniitista on niin suuri, että hiiliatomit eivät ehdi diffundoitua kiderakenteesta ulos riittävän suuria määriä muodostaakseen sementiittiä (Fe3C). Näin ollen se on diffuusiottomassa muunnoksessa syntyvä tuote. Kaikenlainen diffuusio johtaa ferriitti- ja sementiittifaasien muodostumiseen. Se on nimetty saksalaisen metallurgin Adolf Martensin (1850-1914) mukaan.

Toisin kuin faasikomponenttien isoterminen hajoaminen diffuusion avulla, martensiitti ei ole termiseen tasapainoon liittyvä faasi. Näin ollen se ei näy raudan ja hiilen tasapainon faasidiagrammissa. Sitä voidaan ajatella muunnostuotteena, joka kilpailee perliitin ja bainiitin kanssa.

Martensiitin mikrorakenteella teräksissä on erilaisia morfologioita, ja se voi esiintyä joko rimamartensiittina tai levymartensiittina. Teräksillä, joiden hiilipitoisuus on 0-0,6 %, martensiitti näyttää rimatulta, ja sitä kutsutaan rimamartensiitiksi. Yli 1 % hiiltä sisältävässä teräksessä se muodostaa levymäisen rakenteen, jota kutsutaan levymartensiitiksi. Levymartensiitti muodostuu nimensä mukaisesti linssimäisiksi (linssin muotoisiksi) kiteiksi, joissa on pienempien levyjen siksak-kuvio. Näiden kahden prosenttiosuuden välillä jyvien fyysinen ulkonäkö on näiden kahden sekoitus. Martensiitin lujuus vähenee sitä mukaa, kun säilytetyn austeniitin määrä kasvaa.

Martensiittinen muunnoskarkaisu

Transformaatiokarkaisu, joka tunnetaan myös nimellä martensiittinen muunnoskarkaisu, on yksi yleisimmistä karkaisumenetelmistä, jota käytetään ensisijaisesti teräksille (eli hiiliteräksille sekä ruostumattomille teräksille). Martensiittinen muodonmuutos ei kuitenkaan koske ainoastaan rauta-hiiliseoksia. Sitä esiintyy muissakin järjestelmissä, ja sille on ominaista osittain diffuusioton muunnos.

Martensiittisissa teräksissä käytetään pääasiassa korkeampia C- ja Mn-pitoisuuksia yhdessä lämpökäsittelyn kanssa lujuuden lisäämiseksi. Valmiissa tuotteessa on duplex-mikrorakenne, jossa on ferriittiä ja vaihtelevasti degeneroitunutta martensiittia. Tämä mahdollistaa vaihtelevan lujuuden. Metallurgiassa karkaisua käytetään yleisimmin teräksen kovettamiseen lisäämällä siihen martensiittia. Kovuuden ja sitkeyden välillä vallitsee tasapaino kaikissa teräksissä; mitä kovempi teräs on, sitä vähemmän se on sitkeää tai iskunkestävää, ja mitä iskunkestävämpi se on, sitä vähemmän se on kovaa.

Martensiitti syntyy austeniitista sammutuksen tai muunlaisen nopean jäähdytyksen seurauksena. Raudan ja hiilen seoksissa austeniittia esiintyy yleensä vain kriittisen eutektoidilämpötilan (723 °C) yläpuolella ja hiilipitoisuudesta riippuen alle 1500 °C:n lämpötilassa. Normaaleissa jäähdytysnopeuksissa austeniitin jäähtyessä hiili diffundoituu pois austeniitista ja muodostaa hiilirikasta rautakarbidia (sementiittiä) ja jättää jälkeensä hiiliköyhää ferriittiä. Seoksen koostumuksesta riippuen voi muodostua ferriitin ja sementiitin kerrostumia, joita kutsutaan helmiäisiksi. Jos hiili kuitenkin jäähtyy nopeasti, se ei ehdi diffundoitua ja muuttuu voimakkaasti jännittyneeksi kappalekeskeiseksi tetragonaaliseksi muodoksi, jota kutsutaan martensiitiksi ja joka on ylikyllästetty hiilellä. Kaikki hiiliatomit pysyvät martensiitissa epäpuhtauksina. Jäähdytysnopeus määrää martensiitin, ferriitin ja sementiitin suhteelliset osuudet ja siten myös tuloksena syntyvän teräksen mekaaniset ominaisuudet, kuten kovuus, vetolujuus ja sitkeys.

Karkaistu martensiitti

Rautaseoksen suhteellista kykyä muodostaa martensiittia kutsutaan karkaistavuudeksi. Kovettuvuus mitataan yleisesti etäisyytenä sammutetun pinnan alapuolella, jossa metallilla on esimerkiksi 50 HRC:n ominaiskovuus tai tietty martensiitin prosenttiosuus mikrorakenteessa. Helmiäisteräksen korkein kovuus on 43 HRC, kun taas martensiitti voi saavuttaa 72 HRC:n kovuuden. Tuore martensiitti on hyvin haurasta, jos hiilipitoisuus on suurempi kuin noin 0,2-0,3 %. Se on niin hauras, ettei sitä voida käyttää useimmissa sovelluksissa. Tämä hauraus voidaan poistaa (kovuutta hieman heikentäen), jos sammutettua terästä lämmitetään hieman karkaisuksi kutsutussa prosessissa. Karkaisu saadaan aikaan kuumentamalla martensiittista terästä eutektoidin alapuolella olevaan lämpötilaan tietyn ajan (esimerkiksi 250 °C:n ja 650 °C:n välillä).

Tämä karkaisulämpökäsittely mahdollistaa diffuusioprosessien avulla karkaistun martensiitin muodostumisen reaktion mukaisesti:

martensiitti (BCT, yksifaasinen) → karkaistu martensiitti (ferriitti + Fe3C-faasit)

jossa hiilellä ylikyllästetty yksifaasinen BCT-martensiitti muuttuu stabiilista ferriitti- ja sementtiittifaaseista koostuvaksi karkaistuksi martensiitiksi. Sen mikrorakenne on samankaltainen kuin sferoidiitin mikrorakenne, mutta tässä tapauksessa karkaistu martensiitti sisältää erittäin pieniä ja tasaisesti hajallaan olevia sementiittihiukkasia, jotka on upotettu jatkuvaan ferriittimatriisiin. Karkaistu martensiitti voi olla lähes yhtä kovaa ja lujaa kuin martensiitti, mutta sen sitkeys ja sitkeys ovat huomattavasti parantuneet.

Martensiittiset ruostumattomat teräkset

Martensiittiset ruostumattomat teräkset ovat samanlaisia kuin ferriittiset teräkset siinä, että ne perustuvat kromiin, mutta niissä on korkeampi hiilipitoisuus, joka voi olla jopa 1 %. Ne luokitellaan joskus vähähiilisiin ja runsashiilisiin martensiittisiin ruostumattomiin teräksiin. Ne sisältävät 12-14 % kromia, 0,2-1 % molybdeeniä ja ei merkittävää määrää nikkeliä. Suurempien hiilimäärien ansiosta niitä voidaan karkaista ja karkaista kuten hiiliteräksiä ja niukkaseosteisia teräksiä. Niiden korroosionkestävyys on kohtalainen, mutta niitä pidetään kovina, vahvoina ja hieman hauraina. Ne ovat magneettisia ja ne voidaan testata tuhoutumattomasti magneettihiukkastarkastusmenetelmällä, toisin kuin austeniittiset ruostumattomat teräkset. Yleinen martensiittinen ruostumaton teräs on AISI 440C, joka sisältää 16-18 % kromia ja 0,95-1,2 % hiiltä. Luokan 440C ruostumatonta terästä käytetään seuraavissa sovelluksissa: mittalohkot, ruokailuvälineet, kuulalaakerit ja laakerikehät, muotit ja muotit, veitset.

Kuten kirjoitettiin, martensiittiset ruostumattomat teräkset voidaan karkaista ja karkottaa useilla vanhentamis-/lämpökäsittelytavoilla: Metallurgiset mekanismit, jotka ovat vastuussa martensiittisista muutoksista, jotka tapahtuvat näissä ruostumattomissa seoksissa austenisoinnin ja karkaisun aikana, ovat olennaisesti samat kuin ne, joita käytetään alhaisemman seospitoisuuden omaavien hiili- ja seosterästen kovettamiseen. Lämpökäsittelyyn kuuluu tyypillisesti kolme vaihetta:

• Austenitointi, jossa teräs kuumennetaan 980 – 1050 °C:n lämpötilaan laadusta riippuen. Austeniitti on pintakeskittynyt kuutiofaasi.
• Sammutus. Austenitisoinnin jälkeen teräkset on sammutettava. Martensiittiset ruostumattomat metalliseokset voidaan sammuttaa tyynellä ilmalla, ylipaineisella tyhjiöllä tai keskeytetyllä öljykyllästyksellä. Austeniitti muuttuu martensiitiksi, joka on kova kappalekeskeinen tetragonaalinen kiderakenne. Martensiitti on hyvin kovaa ja liian haurasta useimpiin käyttökohteisiin.
• Karkaisu eli kuumentaminen noin 500 °C:een, lämpötilan pitäminen ja sen jälkeen ilmajäähdytys. Karkaisulämpötilan nostaminen pienentää myötölujuutta ja murtovetolujuutta, mutta kasvattaa venymää ja iskunkestävyyttä.

Ruostumattomien terästen kestävyys syövyttävien aineiden kemiallisia vaikutuksia vastaan perustuu passivointiin. Jotta passivoituminen tapahtuisi ja pysyisi vakaana, Fe-Cr-seoksen kromipitoisuuden on oltava vähintään noin 10,5 painoprosenttia, jonka yläpuolella passivoituminen voi tapahtua ja jonka alapuolella se on mahdotonta. Kromia voidaan käyttää karkaisuelementtinä, ja sitä käytetään usein yhdessä sitkeyttävän elementin, kuten nikkelin, kanssa parempien mekaanisten ominaisuuksien aikaansaamiseksi.

Loppuvetolujuus

Martensiittisen ruostumattoman teräksen – Luokka 440C:n loppuvetolujuus on 760 MPa.

Kovuus

Martensiittisen ruostumattoman teräksen – Luokka 440C:n Brinellin kovuus on noin 270 MPa.

Muut yleiset faasit teräksissä ja raudoissa

Terästen lämpökäsittely edellyttää sekä tasapainofaasien että kuumentamisen ja/tai jäähdyttämisen aikana esiintyvien metastabiilien faasien ymmärtämistä. Terästen osalta vakaita tasapainofaaseja ovat:

• Ferriitti. Ferriitti eli α-ferriitti on raudan kappalekeskeinen kuutiorakenteinen faasi, jota esiintyy alle 912 °C:n lämpötiloissa, kun raudan hiilipitoisuudet ovat alhaisia. α-ferriitti voi liueta vain 0,02 prosentin hiilipitoisuuteen asti 727 °C:ssa. Tämä johtuu rautaristikoiden konfiguraatiosta, joka muodostaa BCC-kiderakenteen. Vähähiilisen tai mieton teräksen ja useimpien valurautojen ensisijainen faasi huoneenlämmössä on ferromagneettinen α-Fe.
• Austeniitti. Austeniitti, joka tunnetaan myös nimellä gammafaasirauta (γ-Fe), on raudan ei-magneettinen kasvokeskittyneen kuutiorakenteen faasi. Austeniittia esiintyy rauta-hiiliseoksissa yleensä vain kriittisen eutektoidilämpötilan (723 °C) yläpuolella ja hiilipitoisuudesta riippuen alle 1500 °C:n lämpötilassa. Se voidaan kuitenkin säilyttää huoneenlämpötilaan asti seostelisäyksillä, kuten nikkelillä tai mangaanilla. Hiilellä on tärkeä rooli lämpökäsittelyssä, koska se laajentaa austeniitin stabiilisuuden lämpötila-aluetta. Suurempi hiilipitoisuus alentaa lämpötilaa, joka tarvitaan teräksen austenitisoitumiseen niin, että rauta-atomit järjestäytyvät uudelleen ja muodostavat fcc-ristikkorakenteen. Austeniittia esiintyy yleisimmin käytetyissä ruostumattomissa teräksissä, jotka ovat hyvin tunnettuja korroosionkestävyydestään.
• Grafiitti. Lisäämällä pieni määrä ei-metallista hiiltä rautaan vaihdetaan sen suuri sitkeys suurempaan lujuuteen.
• Sementtiitti. Sementiitti (Fe3C) on metastabiili yhdiste, ja tietyissä olosuhteissa se voidaan saada dissosioitumaan tai hajoamaan α-ferriitiksi ja grafiitiksi reaktion mukaan: Fe3C → 3Fe (α) + C (grafiitti). Sementtiitti on puhtaassa muodossaan keramiikkaa, ja se on kovaa ja haurasta, minkä vuoksi se soveltuu terästen lujittamiseen. Sen mekaaniset ominaisuudet riippuvat sen mikrorakenteesta, joka riippuu siitä, miten se on sekoittunut ferriitin kanssa.

Metastabiilit faasit ovat:

• Pearliitti. Metallurgiassa perliitti on kaksivaiheinen metallirakenne, joka koostuu vuorottelevista ferriitin (87,5 painoprosenttia) ja sementiitin (12,5 painoprosenttia) kerroksista ja jota esiintyy joissakin teräksissä ja valuraudoissa. Se on saanut nimensä siitä, että se muistuttaa helmiäistä.
• Martensiitti. Martensiitti on erittäin kova metastabiili rakenne, jolla on kappalekeskeinen tetragonaalinen (BCT) kiderakenne. Martensiitti muodostuu teräksissä, kun jäähtymisnopeus austeniitista on niin suuri, että hiiliatomit eivät ehdi diffundoitua ulos kiderakenteesta riittävän suuria määriä muodostaakseen sementiittiä (Fe3C).
• Bainiitti. Bainiitti on levymäinen mikrorakenne, joka muodostuu teräksissä austeniitista, kun jäähdytysnopeudet eivät ole tarpeeksi nopeita
  martensiitin muodostumiseen, mutta ovat kuitenkin tarpeeksi nopeita, jotta hiili ei ehdi diffundoitua perliitin muodostumiseen. Bainiittiset teräkset ovat yleensä lujempia ja kovempia kuin pearliittiset teräkset; silti niillä on toivottava yhdistelmä lujuutta ja sitkeyttä.