馬氏體是一種非常堅硬的鋼晶體結構。 它以德國冶金學家阿道夫·馬滕斯的名字命名。 以此類推，該術語也可以指代通過無擴散轉變形成的任何晶體結構。

馬氏體是通過鐵的奧氏體形式快速冷卻（淬火）在碳鋼中形成的，其速度如此之快，以至于碳原子沒有時間從晶體結構中擴散出足夠大的數量以形成滲碳體（Fe3C） . 奧氏體是伽馬相鐵 (γ-Fe)，是鐵和合金元素的固溶體。 淬火的結果是，面心立方奧氏體轉變為高度應變的體心四方晶系，稱為馬氏體，碳過飽和。 產生的剪切變形產生大量位錯，這是鋼的主要強化機制。 珠光體鋼的最高硬度為 400 布氏，而馬氏體鋼可達到 700 布氏。

當奧氏體達到馬氏體起始溫度 (Ms) 時，冷卻過程中開始馬氏體反應，母體奧氏體變得機械不穩定。 當樣品被淬火時，越來越多的奧氏體轉變為馬氏體，直到達到較低的轉變溫度 Mf，此時轉變完成。

對于共析鋼 (0.76% C)，將保留 6% 至 10% 的奧氏體，稱為殘余奧氏體。 殘余奧氏體的百分比從低于 0.6% C 鋼的微不足道增加到 0.95% C 時的 13% 殘余奧氏體和 1.4% 碳鋼的 30-47% 殘余奧氏體。 非常快速的淬火對于產生馬氏體至關重要。 對于薄截面的共晶碳鋼，如果從 750 °C 開始到 450 °C 結束的淬火時間為 0.7 秒（速率為 430 °C/s），則不會形成珠光體，鋼將是馬氏體 少量殘余奧氏體。

對于含碳量為0～0.6%的鋼，馬氏體呈板條狀，稱為板條狀馬氏體。 對于含碳量大于1%的鋼，會形成板狀結構，稱為板狀馬氏體。 在這兩個百分比之間，谷物的物理外觀是兩者的混合。 隨著殘余奧氏體量的增加，馬氏體的強度降低。 如果冷卻速度低于臨界冷卻速度，則會形成一定量的珠光體，從晶界處開始生長到晶粒中，直到達到 Ms 溫度，然后剩余的奧氏體以大約一半的速度轉變為馬氏體 鋼鐵的聲音。

在某些合金鋼中，馬氏體可以通過在 Ms 溫度下通過淬火至低于 Ms 然后通過塑性變形加工使橫截面面積減少 20% 至 40% 來形成。 該過程產生高達 1013/cm2 的位錯密度。 大量的位錯與產生的沉淀相結合并將位錯固定在適當的位置，從而產生非常堅硬的鋼。 這種特性經常用于氧化釔穩定的氧化鋯等增韌陶瓷和 TRIP 鋼等特殊鋼中。 因此，馬氏體可以是熱誘導或應力誘導的。

馬氏體相的生長需要非常少的熱活化能，因為該過程是一種無擴散轉變，會導致原子位置發生微妙但快速的重排，并且已知即使在低溫下也會發生。 馬氏體的密度低于奧氏體，因此馬氏體相變導致體積發生相對變化。 比體積變化更重要的是剪切應變，其大小約為 0.26，它決定了馬氏體板的形狀。

馬氏體在鐵碳體系的平衡相圖中沒有顯示，因為它不是平衡相。 平衡相通過允許足夠時間擴散的緩慢冷卻速率形成，而馬氏體通常通過非常高的冷卻速率形成。 由于化學過程（達到平衡）在較高溫度下會加速，因此馬氏體很容易被加熱破壞。 這個過程稱為回火。 在一些合金中，通過添加干擾滲碳體成核的元素（例如鎢）來降低這種影響，但通常允許成核繼續進行以釋放應力。 由于淬火可能難以控制，許多鋼被淬火以產生過多的馬氏體，然后回火以逐漸降低其濃度，直到達到預期應用的首選結構。 馬氏體的針狀微結構導致材料變脆。 馬氏體過多會使鋼變脆； 太少會使它變軟。