Martensit är en mycket hård metastabil struktur med en kroppscentrerad tetragonal (BCT) kristallstruktur. Martensit bildas i stål när avkylningshastigheten från austenit är så hög att kolatomer inte hinner diffundera ut ur kristallstrukturen i tillräckligt stora mängder för att bilda cementit (Fe3C). Det är därför en produkt av diffusionsfri omvandling. Varje form av diffusion resulterar i bildandet av ferrit- och cementitfaser. Den är uppkallad efter den tyske metallurgen Adolf Martens (1850-1914).

I motsats till isotermisk nedbrytning av fasbeståndsdelar genom diffusion är martensit inte en fas som är associerad med termisk jämvikt. Den förekommer således inte i fasdiagrammet för jämviktsfasen mellan järn och kol. Den kan betraktas som en omvandlingsprodukt som konkurrerar med perlit och bainit.

Mikrostrukturen av martensit i stål har olika morfologier och kan uppträda som antingen lathmartensit eller plattmartensit. För stål 0-0,6 % kol har martensiten utseendet av lath, och kallas lath martensit. För stål med mer än 1 % kol bildar den en plattliknande struktur som kallas plattmartensit. Plattmartensit bildar, som namnet antyder, linsformade kristaller med ett sicksackmönster av mindre plattor. Mellan dessa två procentsatser är kornens fysiska utseende en blandning av de två. Styrkan hos martensiten minskar i takt med att mängden bibehållen austenit ökar.

Martensitisk omvandling

Transformationshärdning, även känd som martensitisk omvandlingshärdning, är en av de vanligaste metoderna för härdning, som främst används för stål (dvs. kolstål såväl som rostfria stål). Den martensitiska omvandlingen är dock inte unik för järn-kol-legeringar. Den finns i andra system och kännetecknas delvis av den diffusionsfria omvandlingen.

Martensitiska stål använder övervägande högre halter av C och Mn tillsammans med värmebehandling för att öka hållfastheten. Den färdiga produkten kommer att ha en duplex mikrostruktur av ferrit med varierande nivåer av degenererad martensit. Detta möjliggör olika nivåer av hållfasthet. Inom metallurgin används oftast avkylning för att härda stål genom att införa martensit. Det finns en balans mellan hårdhet och seghet i alla stål; ju hårdare stålet är, desto mindre segt eller slagtåligt är det, och ju mer slagtåligt det är, desto mindre hårt är det.

Martensit bildas från austenit som ett resultat av släckning, eller en annan form av snabb kylning. Austenit i järn-kol-legeringar förekommer i allmänhet endast över den kritiska eutektoida temperaturen (723°C) och under 1500°C, beroende på kolinnehållet. Vid normal nedkylning diffunderar kolet ut ur austeniten när austeniten svalnar och bildar kolrik järnkarbid (cementit) och lämnar kvar kolfattig ferrit. Beroende på legeringens sammansättning kan det bildas ett lager av ferrit och cementit, som kallas pearlite. Vid snabb nedkylning hinner kolet dock inte diffundera och omvandlas till en mycket spänd kroppscentrerad tetragonal form som kallas martensit och som är övermättad med kol. Alla kolatomer kvarstår som interstitiella föroreningar i martensit. Nedkylningshastigheten bestämmer de relativa proportionerna av martensit, ferrit och cementit och bestämmer därför de mekaniska egenskaperna hos det resulterande stålet, t.ex. hårdhet, draghållfasthet och seghet också.

Tempererad martensit

Den relativa förmågan hos en järnlegering att bilda martensit kallas härdbarhet. Härdbarheten mäts vanligen som avståndet under en släckt yta där metallen uppvisar en specifik hårdhet på till exempel 50 HRC eller en specifik procentandel martensit i mikrostrukturen. Den högsta hårdheten hos ett pärlitiskt stål är 43 HRC medan martensit kan uppnå 72 HRC. Färskt martensit är mycket sprött om kolhalten är högre än cirka 0,2-0,3 %. Det är så sprött att det inte kan användas för de flesta tillämpningar. Denna sprödhet kan avlägsnas (med viss förlust av hårdhet) om det släckta stålet värms upp något i en process som kallas anlöpning. Härdning åstadkoms genom att ett martensitiskt stål värms upp till en temperatur under den eutektoida temperaturen under en bestämd tidsperiod (t.ex. mellan 250°C och 650°C ).

Denna anlöpande värmebehandling möjliggör, genom diffusionsprocesser, bildandet av tempererad martensit, enligt reaktionen:

martensit (BCT, enfas) → tempererad martensit (ferrit + Fe3C-faser)

där den enfasiga BCT-martensiten, som är övermättad med kol, omvandlas till den tempererade martensiten, som består av de stabila ferrit- och cementitfaserna. Dess mikrostruktur liknar mikrostrukturen hos sfäroidit, men i detta fall innehåller tempererad martensit extremt små och jämnt spridda cementitpartiklar inbäddade i en kontinuerlig ferritmatris. Tempererad martensit kan vara nästan lika hård och stark som martensit men med väsentligt förbättrad duktilitet och seghet.

Martensitiskt rostfritt stål

Martensitiska rostfria stål liknar ferritiska stål genom att de är baserade på krom men har högre kolhalter upp till 1 %. De klassificeras ibland som martensitiska rostfria stål med lågt kolinnehåll och martensitiska rostfria stål med högt kolinnehåll. De innehåller 12 till 14 % krom, 0,2 till 1 % molybden och ingen betydande mängd nickel. Högre mängder kol gör att de kan härdas och anlöpas på samma sätt som kol- och låglegerade stål. De har måttlig korrosionsbeständighet, men anses vara hårda, starka, något spröda. De är magnetiska och de kan testas oförstörande med hjälp av magnetpartikelinspektionsmetoden, till skillnad från austenitiskt rostfritt stål. Ett vanligt martensitiskt rostfritt stål är AISI 440C, som innehåller 16 till 18 procent krom och 0,95 till 1,2 procent kol. Rostfritt stål av kvalitet 440C används i följande tillämpningar: mätblock, bestick, kullager och kullagerbanor, formar och matriser, knivar.

Som det skrevs kan martensitiska rostfria stål härdas och anlöpas genom flera olika sätt att åldras/värmebehandlas: De metallurgiska mekanismer som är ansvariga för de martensitiska omvandlingar som äger rum i dessa rostfria legeringar under austenitisering och avkylning är i huvudsak desamma som de som används för att härda kol- och legeringsstål med lägre legeringsinnehåll. Värmebehandlingen omfattar vanligtvis tre steg:

• Austenitisering, där stålet värms upp till en temperatur i intervallet 980 – 1050 °C beroende på kvaliteterna. Austeniten är en ytcentrerad kubisk fas.
• Skynkning. Efter austenitisering måste stålen släckas. Martensitiska rostfria legeringar kan släckas med hjälp av stillastående luft, vakuum med positivt tryck eller avbruten oljeavkylning. Austeniten omvandlas till martensit, en hård kroppscentrerad tetragonal kristallstruktur. Martensiten är mycket hård och för spröd för de flesta tillämpningar.
• Temperering, dvs. upphettning till ca 500 °C, hållande vid temperaturen och därefter luftkylning. Ökad anlöpningstemperatur minskar sträckgränsen och den slutliga draghållfastheten men ökar förlängningen och slagtåligheten.

Det rostfria stålets motståndskraft mot de kemiska effekterna av korrosiva ämnen bygger på passivering. För att passiveringen ska uppstå och förbli stabil måste Fe-Cr-legeringen ha en lägsta kromhalt på cirka 10,5 viktprocent, över vilken passiveringen kan uppstå och under vilken den är omöjlig. Krom kan användas som ett härdande element och används ofta tillsammans med ett härdande element som nickel för att ge överlägsna mekaniska egenskaper.

Utomatisk draghållfasthet

Utomatisk draghållfasthet för martensitiskt rostfritt stål – Grade 440C är 760 MPa.

Hårdhet

Brinellhårdhet för martensitiskt rostfritt stål – Grade 440C är cirka 270 MPa.

Andra vanliga faser i stål och järn

Värmebehandling av stål kräver förståelse för både jämviktsfaserna och de metastabila faserna som uppstår under uppvärmning och/eller kylning. För stål omfattar de stabila jämviktsfaserna:

• Ferrit. Ferrit eller α-ferrit är en fas av järn med kroppscentrerad kubisk struktur som existerar under temperaturer på 912°C för låga koncentrationer av kol i järn. α-ferrit kan endast lösa upp till 0,02 procent kol vid 727°C. Detta beror på järngitterets konfiguration som bildar en BCC-kristallstruktur. Den primära fasen i stål med låg kolhalt eller milt stål och de flesta gjutjärn vid rumstemperatur är ferromagnetisk α-Fe.
• Austenit. Austenit, även känd som gammafasjärn (γ-Fe), är en icke-magnetisk fas av järn med ansiktscentrerad kubisk struktur. Austenit i järn-kol-legeringar förekommer i allmänhet endast över den kritiska eutektoida temperaturen (723 °C) och under 1500 °C, beroende på kolinnehållet. Den kan dock bibehållas till rumstemperatur genom legeringstillsatser som nickel eller mangan. Kol spelar en viktig roll vid värmebehandling, eftersom det utökar temperaturområdet för austenitstabilitet. Högre kolhalt sänker den temperatur som krävs för att austenitisera stålet – så att järnatomerna omorganiserar sig för att bilda en fcc-gitterstruktur. Austenit förekommer i den vanligaste typen av rostfritt stål, som är mycket kända för sin korrosionsbeständighet.
• Grafit. Genom att lägga till en liten mängd icke-metalliskt kol till järn byts dess stora duktilitet mot större styrka.
• Cementit. Cementit (Fe3C) är en metastabil förening, och under vissa omständigheter kan den fås att dissociera eller sönderdelas för att bilda α-ferrit och grafit, beroende på reaktionen: Fe3C → 3Fe (α) + C (grafit). Cementit i sin rena form är en keramik och den är hård och spröd, vilket gör den lämplig för att förstärka stål. Dess mekaniska egenskaper är en funktion av dess mikrostruktur, som beror på hur den blandas med ferrit.

De metastabila faserna är:

• Pearlit. Inom metallurgin är pearlite en skiktad metallisk struktur med två faser, som består av omväxlande lager av ferrit (87,5 viktprocent) och cementit (12,5 viktprocent) som förekommer i vissa stål och gjutjärn. Den har fått sitt namn på grund av sin likhet med pärlemor.
• Martensit. Martensit är en mycket hård metastabil struktur med en kroppscentrerad tetragonal (BCT) kristallstruktur. Martensit bildas i stål när avkylningshastigheten från austenit är så hög att kolatomer inte hinner diffundera ut ur kristallstrukturen i tillräckligt stora mängder för att bilda cementit (Fe3C).
• Bainit. Bainit är en plattliknande mikrostruktur som bildas i stål från austenit när kylningshastigheten inte är tillräckligt snabb
  för att producera martensit men fortfarande tillräckligt snabb så att kolet inte hinner diffundera för att bilda perlit. Bainitiska stål är i allmänhet starkare och hårdare än pearlitiska stål, men uppvisar ändå en önskvärd kombination av styrka och duktilitet.