مارتنزیت
خواص

مارتنزیت در فولادهای کربنی با خنک کردن سریع (quenching) آهن با ساختار آستنیتی بدست می‌آید. سرعت این خنک کاری بقدری بالا است که اتم‌های کربن فرصت لازم برای پخش شدن به مقادیر کافی در ساختار کریستالی و تشکیل سمنتیت (Fe3C) را پیدا نمی‌کنند. آستنیت، آهن فاز-گاما (γ-Fe)، یک محلول جامد از آهن و عناصر آلیاژی است. آستنیت با ساختار مکعب مربعی مرکز-وجهی (fcc)، پس از کوئنچ شدن (خنک کاری بسیار سریع) به ساختاری مکعب مستطیلی مرکز بدنی (bct) شدیداً کشیده شده به نام مارتنزیت تبدیل می‌شود که با کربن، فوق اشباع شده‌است. تغییر شکل ایجاد شده تعداد زیادی نابجایی (dislocation) ایجاد می‌کند، که مکانیزم اصلی سخت شدن فولادها است. بالاترین سختی فولادهای پرلیتی نهایتاً می‌تواند ۴۰۰ برینل باشد در حالی که سختی فولادهای مارتنزیتی تا ۷۰۰ برینل نیز می‌رسد.
واکنش مارتنزیتی در هنگام خنک شدن شروع می‌شود، یعنی زمانی که آستنیت به دمای شروع مارتنزیت (Ms) می‌رسد و آستنیت مادر به‌طور مکانیکی ناپایدار می‌شود. وقتی نمونه کوئنچ می‌شود، درصد قابل توجهی از آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود تا زمانی که دمای کمتر از تبدیل (Mf) به دست آید، که در آن زمان تبدیل به پایان می‌رسد.
در فولاد یوتکتوید (یعنی فولاد حاوی ۰٫۷۸٪ کربن)، ۶ تا ۱۰٪ از آستنیت، که آستنیت حفظ شده نامیده می‌شود، باقی خواهد ماند. درصد آستنیت حفظ شده از مقدار ناچیزی برای فولادهای حاوی ۰٫۶٪ کربن افزایش یافته و به ۱۳٪ آستنیت حفظ شده در فولاد حاوی ۰٫۹۵٪ کربن خواهد رسید. مقدار آستنیت حفظ شده برای فولاد کربنی حاوی ۱٫۴٪ کربن به ۳۰ تا ۴۷٪ می‌رسد. برای ایجاد مارتنزیت، نیاز به یک خنک کاری بسیار سریع داریم. در یک قطعه فولاد کربنی یوتکتیک با مقطع نازک، اگر کوئنچینگ از دمای ۷۵۰ درجه سلسیوس تا دمای ۴۵۰ درجه سلسیوس در ۰٫۷ ثانیه اتفاق بیفتد (یعنی با نرخ ۴۳۰ درجه سلسیوس بر ثانیه)، هیچ پرلیتی ایجاد نخواهد شد و یک فولاد مارتنزیتی با مقدار کمی آستنیت حفظ شده خواهیم داشت.
در فولادهای حاوی ۰ تا ۰٫۶٪ کربن، مارتنزیت ظاهری شبیه به توفال دارد و به همین دلیل به آن مارتنزیت توفالی (lath martensite) گفته می‌شود. در فولادهایی با بیش از ۱٪ کربن، مارتنزیت ساختاری شبیه ورق یا صفحه دارد و به همین دلیل مارتنزیت صفحه ای (plate martensite) خوانده می‌شود. بین این دو درصد، ظاهر فیزیکی دانه‌ها مخلوطی از هر دو است. هر چه مقدار آستنیت حفظ شده رشد می‌کند، استحکام مارتنزیت کاهش می‌یابد. اگر نرخ خنک سازی کمتر از نرخ خنک سازی بحرانی باشد، مقدار کمی پرلیت تشکیل خواهد شد. این پرلیت از مرزهای دانه شروع به رشد کرده و به سمت داخل دانه حرکت خواهد کرد تا زمانی که درجه حرارت به Ms برسد، سپس آستنیت باقی‌مانده با سرعتی نزدیک به نصف سرعت صوت در فولاد تبدیل به مارتنزیت می‌شود.
در برخی فولادهای آلیاژی خاص، مارتنزیت را می‌توان از طریق شکل دهی فولاد در دمای Ms و سپس کوئنچ کردن آن تا زیر دمای Ms و سپس شکل دهی به آن به صورت تغییر شکل پلاستیک تا زمانی که سطح مقطع به ۲۰ تا ۴۰٪ سطح مقطع قطعه اولیه برسد، تولید کرد. این فرایند می‌تواند باعث افزایش چگالی نابجایی‌ها تا 1013 عدد در هر سانتیمتر مربع شود. تعداد زیاد این نابجایی‌ها به همراه رسوبات ایجاد شده که این نابجایی‌ها را به محل میخ می‌کنند، باعث تولید یک فولاد بسیار سخت می‌شود. این شیوه به‌طور معمول در تولید سرامیک‌های سخت مانند زیرکونیا اتریا-ثاتب (Yttria-stabilized zirconia) یا تولید فولادهای خاص مانند فولادهای TRIP استفاده می‌شود؛ در نتیجه، مارتنزیت را می‌توان هم با روش‌های گرمایی و هم یا روش‌های تنشی ایجاد کرد.
یکی از تفاوت‌های فازهای آستنیت و مارتنزیت این است که مارتنزیت دارای ساختار بلوری مکعب مستطیلی مرکز بدنی (bct) است، در حالی که آستنیت دارای ساختار مکعب مربعی مرکز وجهی (fcc) است. انتقال بین این دو ساختار نیاز به انرژی فعال سازی حرارتی بسیار کمی دارد، زیرا این یک تبدیل بدون پراکندگی است که منجر به بازسازی ظریف اما سریع موقعیت اتمی می‌شود و حتی در دماهای کرایوژنیک نیز دیده می‌شود. مارتنزیت دارای چگالی کمتری نسبت به آستنیت است، پس مارتنزیتی شدن آستنیت منجر به تغییر نسبی حجم می‌شود. بسیار مهمتر از تغییر حجم، کرنش برشی است که مقداری حدود ۰٫۲۶ دارد و تعیین‌کننده شکل صفحات مارتنزیت است.
مارتنزیت در نمودار فازی تعادل سیستم آهن- کربن نشان داده نمی‌شود، زیرا فاز تعادلی نیست. فازهای تعادلی با سرعت آهسته خنک کردن شکل می‌گیرند که زمان کافی برای نفوذ دارند، در حالی که مارتنزیت معمولاً با نرخ خنک کردن بسیار بالا شکل می‌گیرد. از آنجائیکه فرایندهای شیمیایی (دستیابی به تعادل) در دمای بالاتر تسریع می‌شوند، مارتنزیت به راحتی توسط گرمادهی تخریب می‌شود. این فرایند گرمادهی نامیده می‌شود. در بعضی از آلیاژها، این فرایند بر اثر اضافه شده عناصری مانند تنگستن که باعث ایجاد مزاحمت برای هسته سمانتیت می‌شود، کاهش می‌یابد، اما بیشتر از آن، هسته سمانتیت اجازه می‌دهد که فشار از بین برود. از آنجا که خنک کردن ممکن است کنترل کردنش دشوار باشد، بسیاری از فولادها برای تولید بیش از حد مارتنزیت خنک می‌شوند و سپس به تدریج آن‌ها را گرمادهی می‌کنند تا زمانی که ساختار ترجیحی برای کاربرد مورد نظر به دست آید. ریز ساختار سوزنی مارتنزیت منجر به رفتار شکننده مواد می‌شود. مارتنزیت بیش از حد فولاد را ترد می‌کند و مارتنزیت کم آن را نرم می‌کند.