Мартенси́т — микроструктура игольчатого вида у кристаллических твердых тел, пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе такой же концентрации, как и исходного аустенита. Мартенсит возникает в результате мартенситного превращения — сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения при охлаждении. Термин образован по фамилии немецкого металловеда А. Мартенса (1850-1914). Мартенсит наблюдается у закаленных металлических сплавах и чистых металлах, которым свойствен полиморфизм.
В результате деформации кристаллической решетки при мартенситном превращении (кооперативном сдвиге) на поверхности металла появляется рельеф; в объеме кристалла возникают внутренние напряжения и происходит пластическая деформация. Количество образующегося мартенсита растет с увеличением переохлаждения. Чтобы минимизировать упругую энергию, кристаллики мартенсита принимают форму пластин, которые на шлифе выглядят как иголки. Эти пластины ориентированы вдоль определенных направлений исходной кристаллической решетки. Образование мартенсита может происходить в результате низкотемпературных полиморфных превращений в чистых металлах (железо, кобальт, титан, цирконий, литий), в твердых растворах на их основе, в интерметаллидах (CuZn, Cu3Al, NiTi, V3Si, AuCd). Мартенситной структуре соответствует наиболее высокая твердость стали. С превращением мартенсита при нагреве и охлаждении связан эффект памяти металлов и сплавов.
Мартенсит в стали — пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе, образующийся в результате бездиффуззионного полиморфного превращения аустенита при закалке при больших переохлаждениях в условиях малой подвижности атомов. Физическая природа мартенсита как раствора внедрения, происхождение его высокой прочности, сущность механизма и закономерности кинетики его образованияустановлены Г.В. Курдюмовым. Мартенсит имеет больший объем, чем исходный аустенит, поэтому не успевающий пройти фазовое превращение аустенит испытывает сильное сжатие, а пластины мартенсита располагаются по определенным кристаллографическим плоскостям.
Мартенсит — метастабильная фаза. Он появляется в переохлажденном аустените при 230 °С. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как в исходном аустените. Упорядоченное размещение атомов углерода, произошедшее в результате мартенситного сдвига, превращает объемноцентрированную решетку альфа-железа из кубической в тетрагональную. Искажения решетки около внедренных атомов вызывают упрочнение. Высокая твердость мартенсита объясняется тем, что искажения элементарной кристаллической ячейки затрудняют пластическую деформацию, образование сдвигов в мартенсите почти невозможно. Чем выше концентрация углерода в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки мартенсита и больше его твердость. В легированных сталях атомы легирующих элементов образуют растворы замещения.
При закалке углеродистых сталей на мартенсит происходит резкое снижение их пластичности. В закаленных углеродистых сталях в зависимости от состава и условий термообработки может образовываться как крупноигольчатый (длина игл от 12 до 20 мкм), так и мелкоигольчатый (длина игл от 4 до 8 мкм) мартенсит. Если размер мартенситных игл меньше 2 мкм, его называют скрытоигольчатым.
В закаленных углеродистых и легированных сталях выделяют два основных типа структур мартенсита: пластинчатый (двойниковый) и пакетный (реечный). Чем выше температура нагрева под закалку, тем крупнее вырастает аустенитное зерно и тем крупнее образующиеся в нем пластины мартенсита. В правильно закаленной стали мартенсит не имеет типичного игольчатого строения и называется бесструктурным. Концентрация углерода в твердом растворе и субзеренная структура мартенсита изменяются при отпуске, который применяется для повышения пластичности стали. Структуру, получающуюся при отпуске стали от температур ниже 300 °С, называют отпущенным мартенситом: она отличается от мартенсита закалки большей травимостью из-за дисперсных выделений карбида.