Мартенси́тное превраще́ние, один из видов структурных фазовых переходов, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов (молекул) происходит в результате одновременного относительного смещения (сдвига) соседних атомов на расстояния, малые по сравнению с межатомным расстоянием. Перестройка кристаллической решётки обычно сводится к деформации её элементарной ячейки, и конечная фаза мартенситного превращения (мартенситная фаза) может рассматриваться как однородно деформированная исходная фаза. Величина относительной деформации мала (порядка 10^–1–10^–2) и соответственно мал (по сравнению с энергией связи частиц в кристалле) энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в конечную. Мартенситное превращение является фазовым переходом 1-го рода; его параметром порядка служит деформация.

Мартенситное превращение развивается путём образования и роста областей более стабильной фазы в исходной метастабильной. Необходимое условие мартенситного превращения – сохранение упорядоченного контакта между сосуществующими фазами. Упорядоченное строение межфазных границ при малости энергетического барьера для однородного фазового перехода обеспечивает их малую энергию и высокую подвижность. При некотором отклонении от равновесия фаз избыточная энергия, необходимая для зарождения кристаллов новой фазы, становится сопоставимой с энергией дефектов, присутствующих в исходной фазе. Поэтому зарождение мартенситной фазы происходит с большой скоростью и может не требовать тепловых флуктуаций (т. н. нетермическое мартенситное превращение).

Внутренние напряжения, возникающие из-за упругого «приспособления» кристаллических решёток соприкасающихся фаз, приводят к смещению равновесия взаимодействующих фаз относительно положения истинного термодинамического равновесия для изолированных фаз. Поэтому температуpa начала мартенситного превращения может значительно отличаться от температуры истинного равновесия.

Стремление к минимуму упругой энергии определяет внутреннюю структуру и взаимное расположение мартенситных кристаллов. Новая фаза образуется в форме тонких пластинок, определённым образом ориентированных относительно кристаллографических осей исходной фазы. Часто пластинки не являются монокристаллами, а представляют собой пакеты двойниково-связанных плоскопараллельных доменов – областей новой фазы, различающихся ориентацией кристаллической решётки (см. Упругие домены, Двойникование кристаллов). Интерференция полей напряжений от различных доменов приводит к их частичному уничтожению. Дальнейшее уменьшение упругих полей достигается за счёт формирования ансамблей из закономерно расположенных пластин. Деформирование материала с такой структурой происходит в основном за счёт смещения доменных границ («сверхупругость»). При нагреве мартенситная фаза превращается в исходную и тело восстанавливает первоначальную форму, которую оно имело до мартенситного превращения (эффект памяти формы).

Рост внутренних напряжений в процессе мартенситного превращения в определённых условиях приводит к установлению двухфазного термоупругого равновесия, которое обратимо смещается при изменении внешних условий: под действием механических нагрузок или при изменении температуры размеры отдельных кристаллов и их число изменяются.

Представленной картине мартенситного превращения достаточно полно отвечают мартенситные превращения в сплавах цветных металлов, но обычно эта картина искажается процессами пластической релаксации – рождением и перемещением дислокаций. Релаксация внутренних напряжений делает мартенситное превращение существенно необратимым: между прямым и обратным превращениями имеет место явление упругого гистерезиса. Чем больше степень релаксации, тем при меньших отклонениях от точки истинного равновесия фаз может проходить мартенситное превращение, но тем меньше его скорость и менее отчётливо проявляется характер исходной и конечной фаз. В одном и том же материале в зависимости от степени отклонения от точки истинного равновесия фаз и скорости релаксации наблюдаются различные кинетические варианты мартенситного превращения (нетермическое или изотермическое). Поскольку сопротивление материала деформации уменьшается с повышением температуры, характерные особенности мартенситного превращения при высоких температурах проявляются слабее, чем при низких. Мартенситным превращениям pодственны сегнетоэластические переходы, для которых параметром порядка также служит деформация, но они, в отличие от мартенситных превращений, являются фазовыми переходами 2-го рода.

Мартенситные превращения обнаружены во многих кристаллических материалах, но наиболее полно изучены в сплавах на основе $\text{Fe}$ в связи с практическим значением закалки стали. Возникающая при закалке стали фаза – мартенсит – дала название всему классу превращений. В сочетании с диффузионным перераспределением компонентов и изменением атомной структуры мартенситные превращения составляют основу многочисленных структурных превращений, благодаря которым с помощью термической и механической обработки кристаллических материалов осуществляется направленное изменение их свойств. Изменение формы при мартенситном превращении также находит практическое применение.