マルテンサイト（martensite, α'鋼）は、Fe-C系炭素鋼を、安定なオーステナイトから急冷する事によって得られる組織。ドイツの冶金学者アドルフ・マルテンス（Adolf Martens）が発見したため、この名称がある。
刀の作成段階で見られる焼入れなどは、鋼をこの組織へと変態させる作業の事である。組織構成は、オーステナイトが炭素を固溶したままの状態で体心正方格子を取る構成で、炭素を含有する鉄合金では組織は非常に硬い層組織である。しかし、工業的には高靭性である必要から、できた炭素含有鉄合金を焼き戻しすることで焼戻しマルテンサイトにして使用する。
炭 素鋼は高温ではオーステナイトが安定な組織である、常温ではフェライト（体心立方格子）とセメンタイトの層状組織であるパーライトが安定な組織で ある。 また、オーステナイトへの炭素の固溶限は、フェライトのそれより高く、安定なフェライトへ変態するには結晶中から炭素を移動させなければならず、移動のた めの拡散が伴わなければならない（拡散変態）。 しかし、拡散が十分に起こらない速さで冷却することにより炭素が体心立方格子の一軸を引き伸ばし、そこへ炭素が進入した結晶構造となり準安定な状態とな る。この変態によって歪んだ結晶となるため、焼入れを行うと多くの場合変形を伴う。
また、さらに常温でオーステナイトの状態の鉄に応力を加えることによりマルテンサイトを生じることもある。これを応力誘起マルテンサイトとよぶ。マルテンサイト系の形状記憶合金はこの変態を利用したものである。
マルテンスが19世紀末に発見した組織であるが、実用上はすでに人工的に利用されていた鋼の組織で、一時期マルテンサイトであることが鋼の定義でもあった。日本でもすでに日本刀などの刃先に形成されていたものを科学的に再認識したものである。
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