Martensite é uma estrutura muito dura e metastável com uma estrutura de cristal tetragonal (BCT) centrada no corpo. A martensite é formada em aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo para se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar o cimento (Fe3C). Portanto, é um produto de transformação sem difusão. Qualquer difusão resulta na formação de fases de ferrite e cimentação. É nomeado em homenagem ao metalúrgico alemão Adolf Martens (1850-1914).

À semelhança da decomposição isotérmica dos constituintes das fases por difusão, a martensita não é uma fase associada ao equilíbrio térmico. Assim, ela não aparece no diagrama de fase de equilíbrio ferro-carbono. Ela pode ser pensada como um produto de transformação competitivo com a perlite e a bainite.

A microestrutura da martensita em aços tem morfologias diferentes e pode aparecer como martensita em tornos ou martensita em placas. Para o aço 0-0,6% carbono a martensita tem a aparência de ripado, e é chamada de martensita de ripado. Para o aço com mais de 1% de carbono irá formar uma estrutura semelhante a uma chapa chamada plate martensite. A martensita de placas, como o nome indica, forma como cristais lenticulares (em forma de lentilhas) com um padrão em ziguezague de placas menores. Entre estas duas percentagens, o aspecto físico dos grãos é uma mistura dos dois. A resistência da martensita é reduzida à medida que a quantidade de austenita retida cresce.

Transformação Martensítica

Têmpera de transformação, conhecida também como têmpera de transformação martensítica, é um dos métodos mais comuns de têmpera, que é usado principalmente para aços (isto é, aços ao carbono, bem como aços inoxidáveis). A transformação martensítica não é, no entanto, exclusiva das ligas de ferro-carbono. Encontra-se noutros sistemas e caracteriza-se, em parte, pela transformação sem difusão.

Os açosartensíticos utilizam predominantemente níveis mais elevados de C e Mn juntamente com o tratamento térmico para aumentar a sua resistência. O produto acabado terá uma microestrutura duplex de ferrite com níveis variáveis de martensita degenerada. Isto permite diferentes níveis de resistência. Na metalurgia, a têmpera é mais comumente usada para endurecer o aço através da introdução da martensite. Existe um equilíbrio entre dureza e tenacidade em qualquer aço; quanto mais duro o aço, menos duro ou resistente ao impacto, e quanto mais resistente ao impacto, menos duro é.

Martensite é produzido a partir da austenite como resultado do têmpera, ou outra forma de resfriamento rápido. A austenita em ligas de ferro-carbono geralmente só está presente acima da temperatura crítica do eutectoide (723°C), e abaixo de 1500°C, dependendo do conteúdo de carbono. Em caso de taxas normais de resfriamento, conforme a austenita esfria, o carbono se difunde para fora da austenita e forma carboneto de ferro rico em carbono (cementito) e deixa para trás ferrite pobre em carbono. Dependendo da composição da liga, pode formar-se uma camada de ferrite e cimentício, chamada perlite. Mas em caso de resfriamento rápido, o carbono não tem tempo suficiente para se difundir e o carbono se transforma em uma forma tetragonal altamente tensa, centrada no corpo, chamada martensita, que é supersaturada com carbono. Todos os átomos de carbono permanecem como impurezas intersticiais na martensita. A taxa de resfriamento determina as proporções relativas da martensita, ferrite e cimentos, e portanto determina as propriedades mecânicas do aço resultante, tais como dureza, resistência à tração e tenacidade também.

Tempered Martensite

A capacidade relativa de uma liga ferrosa de formar martensita é chamada de temperabilidade. A temperabilidade é normalmente medida como a distância abaixo de uma superfície revenida na qual o metal apresenta uma dureza específica de 50 HRC, por exemplo, ou uma percentagem específica de martensita na microestrutura. A maior dureza de um aço perlítico é de 43 HRC enquanto que a martensita pode atingir 72 HRC. A martensita fresca é muito frágil se o teor de carbono for superior a aproximadamente 0,2 a 0,3%. É tão frágil que não pode ser usado para a maioria das aplicações. Esta fragilidade pode ser removida (com alguma perda de dureza) se o aço revenido for aquecido ligeiramente num processo conhecido como têmpera. O revenimento é realizado aquecendo um aço martensítico a uma temperatura abaixo do eutectoide por um período de tempo especificado (por exemplo, entre 250°C e 650°C ).

Este tratamento térmico de têmpera permite, por processos difusionais, a formação de martensite temperada, de acordo com a reacção:

martensite (BCT, monofásico) → martensite temperada (ferrite + fases Fe3C)

onde a martensite monofásica BCT, que é supersaturada com carbono, se transforma na martensite temperada, composta pelas fases estáveis de ferrite e cimentos. A sua microestrutura é semelhante à microestrutura da esferoidita, mas neste caso a martensita temperada contém partículas de cimentos extremamente pequenas e uniformemente dispersas, incorporadas numa matriz de ferrite contínua. A martensita temperada pode ser quase tão dura e forte como a martensita, mas com ductilidade e tenacidade substancialmente melhoradas.

Aço Inoxidável Martensitic

Aços inoxidáveis Martensitic são similares aos aços ferríticos por serem à base de cromo, mas têm níveis de carbono mais elevados até 1%. São por vezes classificados como aços inoxidáveis martensíticos com baixo teor de carbono e alto teor de carbono. Eles contêm de 12 a 14% de cromo, 0,2 a 1% de molibdênio, e nenhuma quantidade significativa de níquel. Quantidades mais elevadas de carbono permitem que sejam endurecidos e temperados como os aços com baixo teor de carbono e ligas. Eles têm resistência moderada à corrosão, mas são considerados duros, fortes, ligeiramente quebradiços. São magnéticos e podem ser testados de forma não destrutiva através do método de inspecção de partículas magnéticas, ao contrário do aço inoxidável austenítico. Um aço inoxidável martensítico comum é o AISI 440C, que contém 16 a 18% de cromo e 0,95 a 1,2% de carbono. O aço inoxidável AISI 440C é utilizado nas seguintes aplicações: blocos de calibre, talheres, rolamentos e corridas, moldes e matrizes, facas.

Como foi escrito, os aços inoxidáveis martensíticos podem ser endurecidos e temperados através de múltiplas formas de tratamento de envelhecimento/calor: Os mecanismos metalúrgicos responsáveis pelas transformações martensíticas que ocorrem nestas ligas inoxidáveis durante a austenitização e o têmpera são essencialmente os mesmos que são utilizados para endurecer aços de baixo teor de carbono e ligas. O tratamento térmico normalmente envolve três etapas:

• Austenitização, em que o aço é aquecido a uma temperatura na faixa de 980 – 1050 °C, dependendo das classes. A austenita é uma fase cúbica centrada na face.
• Austenitização. Após a austenitização, os aços devem ser tingidos. As ligas inoxidáveis martensíticas podem ser têmpera utilizando ar parado, vácuo de pressão positiva ou têmpera de óleo interrompida. A austenita é transformada em martensite, uma estrutura dura de cristal tetragonal centrada no corpo. A martensite é muito dura e demasiado frágil para a maioria das aplicações.
• Tempering, ou seja, aquecimento até cerca de 500 °C, manutenção à temperatura e depois arrefecimento a ar. O aumento da temperatura de têmpera diminui a tensão de cedência e a tensão de ruptura mas aumenta o alongamento e a resistência ao impacto.

A resistência dos aços inoxidáveis aos efeitos químicos dos agentes corrosivos é baseada na passivação. Para que a passivação ocorra e permaneça estável, a liga Fe-Cr deve ter um teor mínimo de cromo de cerca de 10,5% em peso, acima do qual a passivação pode ocorrer e abaixo do qual ela é impossível. O cromo pode ser utilizado como elemento de endurecimento e é frequentemente utilizado com um elemento de endurecimento como o níquel para produzir propriedades mecânicas superiores.

Resistência à Tensão Estimada

Resistência à Tensão Estimada do aço inoxidável martensítico – Grau 440C é 760 MPa.

Dureza

Dureza Brinell do aço inoxidável martensítico – Grau 440C é aproximadamente 270 MPa.

Outras Fases Comuns em Aços e Ferros

O tratamento térmico dos aços requer uma compreensão tanto das fases de equilíbrio como das fases metastáveis que ocorrem durante o aquecimento e/ou arrefecimento. Para os aços, as fases de equilíbrio estável incluem:

• Ferrite. Ferrite ou α-ferrite é uma fase de estrutura cúbica centrada no corpo do ferro que existe abaixo de temperaturas de 912°C para baixas concentrações de carbono no ferro. α-ferrite só pode dissolver até 0,02 por cento de carbono a 727°C. Isto é devido à configuração da malha de ferro que forma uma estrutura de cristal BCC. A fase primária do aço de baixo carbono ou aço macio e a maioria dos ferros fundidos à temperatura ambiente é ferromagnético α-Fe.
• Austenita. A austenita, também conhecida como ferro em fase gama (γ-Fe), é uma fase de estrutura cúbica não magnética centrada na face do ferro. A austenita em ligas de ferro-carbono está geralmente presente apenas acima da temperatura crítica do eutectoide (723°C), e abaixo de 1500°C, dependendo do conteúdo de carbono. Entretanto, ela pode ser mantida à temperatura ambiente por adições de ligas como o níquel ou o manganês. O carbono desempenha um papel importante no tratamento térmico, pois expande a faixa de temperatura da estabilidade da austenita. Um teor mais alto de carbono reduz a temperatura necessária para austenitização do aço, de tal forma que os átomos de ferro se rearranjam para formar uma estrutura de malha fcc. A austenita está presente no tipo de aço inoxidável mais utilizado, que é muito conhecido pela sua resistência à corrosão.
• Grafite. Adicionando uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro comercializa sua grande ductilidade para a maior resistência.
• Cementite. Cementite (Fe3C) é um composto metastável, e em algumas circunstâncias pode ser feito para dissociar ou decompor-se para formar α-ferrite e grafite, de acordo com a reação: Fe3C → 3Fe (α) + C (grafite). O cementito na sua forma pura é uma cerâmica e é duro e quebradiço, o que o torna adequado para o reforço dos aços. As suas propriedades mecânicas são uma função da sua microestrutura, que depende de como é misturada com ferrite.

As fases metaestáveis são:

• Pearlite. Na metalurgia, a perlite é uma estrutura metálica em camadas de duas fases, que compõem camadas alternadas de ferrite (87,5 wt%) e cimentos (12,5 wt%) que ocorre em alguns aços e ferros fundidos. É nomeado pela sua semelhança com a mãe de pérola.
• Martensite. Martensite é uma estrutura metástase muito dura com uma estrutura de cristal tetragonal (BCT) centrada no corpo. A martensite é formada em aços quando a taxa de arrefecimento da austenite é tão elevada que os átomos de carbono não têm tempo para se difundirem para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar cimentos (Fe3C).
• Bainite. A bainita é uma microestrutura em forma de placa que se forma em aços a partir da austenita quando as taxas de resfriamento não são rápidas
  suficientes para produzir martensite, mas ainda assim são suficientemente rápidas para que o carbono não tenha tempo suficiente para se difundir para formar perolita. Os aços bainíticos são geralmente mais fortes e duros que os aços perolizados; no entanto, apresentam uma combinação desejável de resistência e ductilidade.