Мартенси́т, структурная составляющая кристаллических твёрдых тел, возникающая в результате бездиффузионного сдвигового полиморфного превращения при охлаждении; названа по имени немецкого металловеда А. Мартенса (1850–1914). Известен в чистых металлах (Fe, Co, Ti, Zr, Li и др.) и твёрдых растворах на их основе, в интерметаллидах (например, CuZn, Cu₃Al, NiTi, AuCd) и соединениях типа SiC, ZrO₂.

Возникновение и рост кристаллов мартенсита создают в объёме исходного кристаллического тела внутренние напряжения, вызываемые деформацией; кристаллы мартенсита приобретают форму пластин-реек или линз (на поверхности – рельеф в виде выступов и впадин). Объёмная доля мартенсита лимитирована количеством зародившихся кристаллов и растёт с переохлаждением. Образование мартенсита в большинстве металлических сплавов (при наличии упругой и пластичной деформации) обусловлено процессами скольжения или (при низких температурах) двойникования. Форма кристаллов при деформации скольжением – пакет кристаллов-реек, лежащих в общей плоскости мартенситного сдвига; рейки толщиной 0,1–1 мкм содержат 1010–1011 дислокаций на 1 см². Дислокации и границы реек – основной источник упрочнения низкоуглеродистых сталей и сплавов $Ti$ со структурой пакетного мартенсита. Низкотемпературный двойникованный мартенсит образует зигзаги-«молнии» из крупных линз (0,01–1 мм), разбитых на стопки двойников толщиной 10–100 нм. Если деформация только упругая, то кристалл принимает форму линзы в плоскости сдвига (иголки – в рельефе и на шлифе). Чисто упругая деформация возможна в высокопрочной среде (обычно в интерметаллидах). В этих условиях образуется т. н. термоупругий мартенсит, который при нагреве («обратный сдвиг») исчезает, превращаясь в исходную фазу; явление получило название «эффект памяти формы».

Мартенсит в стали – основная структурная составляющая закалённой стали (по традиционной в металловедении структурной классификации мартенситными называют стали со структурой мартенсита, образующейся после охлаждения расплава на воздухе); представляет собой пересыщенный раствор внедрения C в α – Fe, получающийся при закалке из аустенита, в котором упорядоченное размещение атомов углерода в кубической решётке $α$-железа превращает её в тетрагональную. Искажения решётки от внедрённых атомов углерода вызывают упрочнение, растущее с концентрацией С (твёрдость по Виккерсу – до 1000 HV), но одновременно и хрупкость. Для повышения пластичности из мартенсита углерод переводят (полностью или частично) в карбиды, применяя отпуск металла, т. е. такой нагрев, при котором сохраняется субзёренная структура (пакетный мартенсит в конструкционных сталях, двойникованный мартенсит – в инструментальных). Образование «мартенсита деформации» из аустенита используют в ходе пластичной деформации для дозированного упрочнения стали, повышающего её пластичность (ПНП-эффект – «пластичность, наведённая превращением», или трип-эффект – «transformation induced plasticity»). Для получения наилучшего сочетания высокой прочности и вязкости низкоуглеродистые стали со структурой пакетного мартенсита дополнительно упрочняют наночастицами карбонитридов Nb, Zr, V, Ti или интерметаллидов Fe₂Mo, NiAl и др., а для безуглеродистого мартенсита – проводят совместное карбидно-интерметаллидное упрочнение.

В середине 20 в. Г. В. Курдюмов обнаружил термоупругий мартенсит и установил природу мартенсита в стали как раствора внедрения C в α – Fe, открыл сдвиговые полиморфные превращения (и как их частный случай – мартенситное).