Martensit, memiliki bentuk yang sangat keras dari struktur kristal baja, tetapi juga dapat merujuk kepada setiap struktur kristal yang dibentuk oleh transformasi difusi. Martensit terbentuk pada baja karbon dengan pendinginan cepat( quenching ) dari austenit pada kecepatan tinggi sehingga atom karbon tidak punya waktu untuk berdifusi keluar dari struktur kristal dalam jumlah cukup besar untuk membentuk sementit ( Fe3C ).
Pada proses Quenching dari temperature austenite ke temperature ruang, akan menyebabkan transformasi dari fasa austenite menjadi fasa martensite. Transformasi martensit akan berakhir pada temperature di bawah nol celcius. Jumalah austenit sisa tergantung pada kandungan karbon. Semakin tinggi kandungan karbon semakin besar pula kemungkinan terdapatnya austenite sisa. Untuk menghilangkan austenite sisa dilakukan perlakuan subzero treatment yaitu pendinginan lanjut dibawah nol celcius. Cara lain adalah dengan perlakuan panas tempering atau penemperan. Dengan perlakuan ini semua austenite sisa dapat bertransformasi menjadi marensit.
Austenit akan bertransformasi menjadi martensit pada temperatur di bawah temperature kristis Ms, Martensite Star. Temperatur Ms dipengaruhi oleh kandungan paduan yang terdapat dalam baja.
Struktur martensit untuk paduan besi-karbon mempunyai dua bentuk yaitu: lath martensite dan plate martensite. Struktur lath martensite terbentuk pada baja karbon rendah sampai sedang, atau baja dengan kandungan karbon kurang daripada 0,6 persen. Sedangkan plate martensit terbentuk pada baja karbon tinggi, atau baja dengan kandungan karbon lebih daripada 0,6 persen. Perbedaan struktur martensit di bawah pengamatan mikroskop optic dapat dilihat pada gambar di bawah.
Nilai kekerasan lath mertensite lebih rendah daripada plate martensite. Namun dengan kandungan karbon yang tinggi, plate matensit cenderung lebih getas atau rapuh dari baja dengan struktur lath martensite. Baja dengan struktur plate martensite banyak digunakan untuk aplikasi teknik seperti baja perkakas dan struktur karburisasi.
Bainit adalah mikro acicular ( tidak fase ) yang terbentuk pada baja pada suhu 250-550 ° C ( tergantung pada konten paduan ). Kisaran suhu untuk transformasi bainit ( 250-550 ° C ) adalah antara perlit dan martensit. Ketika terbentuk selama pendinginan terus menerus, laju pendinginan untuk membentuk bainit lebih cepat dari yang dibutuhkan untuk membentuk perlit, tetapi kurang cepat dari yang dibutuhkan untuk membentuk martensit ( pada baja dari komposisi yang sama ).
Transformasi austenit ke struktur bainitik dapat terjadi bila baja didinginkan ke temperatur antara sekitar 300-550 ° C (570-1020 ° F). Bainit sering dikelompokkan menjadi dua tipe, yaitu bainit atas (upper bainite) dan bainit bawah (lower bainite). Terbentuknya bainite atas atau bawah sangat tergantung pada rentang temperatur dimana transformasi terjadi. Pada temperatur rendah, karbon berdifusi dari bainitik ferit dengan kecepatan lebih lambat dan tidak tuntas
Perlit adalah pembentukan struktur mikro dengan bertahap, pipih ( atau berlapis ) struktur terdiri dari lapisan bolak alpha - ferit ( 88% ) dan sementit ( 12% ) yang terjadi pada beberapa baja dan besi cor.
Pertumbuhan perlit meliputi pertumbuhan ferit dan sementit sekaligus secara besamaan. Pertumbuhan dimulai dengan terjadinya pengintian sementit pada batas-batas butir austenite.
Sementit tumbuh dengan didahului oleh difusi atom-atom karbon. Sehingga di sekitar pelat atau lapisan sementit merupakan daerah kekurangan karbon, maka bagian ini terjadi pelat-pelat ferit yang mempunyai kelarutan karbon maksimum 0.025 persen. Petumbuhan sementit terjadi di mana-mana yang diikuti oleh pertumbuhan ferit, sehingga akhirnya seluruhnya berubah menjadi perlit. Apabila waktu yang digunakan untuk tranformasi itu singkat hasil transformasi adalah perlit halus. Bila laju pendinginan perlahan terbentuk perlit yang kasar.
