Martenzitni nehrđajući čelici imaju kubičnu kristalnu strukturu usmjerenu na tijelo, nude širok raspon svojstava i koriste se kao nehrđajući inženjerski čelici, nehrđajući alatni čelici i čelici otporni na puzanje. Oni su magnetski, a nisu otporni na koroziju kao feritni i austenitni nehrđajući čelici zbog niskog sadržaja kroma. Spadaju u četiri kategorije (s nekim preklapanjem):
Fe-Cr-C razredi.To su bile prve vrste korištene i još uvijek se široko koriste u inženjeringu i primjenama otpornim na habanje.
Fe-Cr-Ni-C razredi.Dio ugljika zamjenjuje se niklom. Nude veću žilavost i veću otpornost na koroziju. Razred EN 1.4303 (Casting grade CA6NM) s 13 posto Cr i 4 posto Ni koristi se za većinu Pelton, Kaplan i Francis turbina u hidroelektranama jer ima dobra svojstva lijevanja, dobru zavarljivost i dobru otpornost na kavitacijsku eroziju.
Stupanj stvrdnjavanja oborina.Razred EN 1.4542 (također poznat kao 17/4PH), najpoznatiji stupanj, kombinira martenzitno stvrdnjavanje i stvrdnjavanje precipitacijom. Postiže visoku čvrstoću i dobru žilavost te se između ostalih primjena koristi u zrakoplovstvu.
Klase otporne na puzanje.Mali dodaci niobija, vanadija, bora i kobalta povećavaju snagu i otpornost na puzanje do oko 650 stupnjeva (1.202 stupnja F).
Martenzitni nehrđajući čelici mogu se toplinski obraditi kako bi se dobila bolja mehanička svojstva. Toplinska obrada obično uključuje tri koraka:
austenitizacija,u kojem se čelik zagrijava na temperaturu u rasponu od 980-1.050 stupnjeva (1.800-1.920 stupnjeva F), ovisno o klasi. Rezultirajući austenit ima kubičnu kristalnu strukturu usmjerenu na lice.
Kaljenje.Austenit se pretvara u martenzit, tvrdu tetragonalnu kristalnu strukturu usredotočenu na tijelo. Kaljeni martenzit je vrlo tvrd i previše krt za većinu primjena. Može ostati nešto zaostalog austenita.
Kaljenje.Martenzit se zagrijava na oko 500 stupnjeva (932 stupnja F), drži na temperaturi, a zatim se hladi zrakom. Više temperature kaljenja smanjuju granicu tečenja i graničnu vlačnu čvrstoću, ali povećavaju produljenje i otpornost na udar.
Zamjena dijela ugljika u martenzitnim nehrđajućim čelicima dušikom novi je razvoj.[kada?] Ograničena topljivost dušika povećava se postupkom tlačne elektrotroske rafinacije (PESR), u kojem se taljenje provodi pod visokim tlakom dušika. Postignut je čelik koji sadrži do 0,4 posto dušika, što dovodi do veće tvrdoće i čvrstoće te veće otpornosti na koroziju. Kako je PESR skup, niži, ali značajni sadržaji dušika postignuti su standardnim postupkom dekarbonizacije kisikom argonom (AOD).
