В 1957 г. из отдела фазовых превращений, которым руководил академик Г.В. Курдюмов, была выделена лаборатория рентгеноструктурных исследований, преобразованная в 1966 г. в отдел мартенситных превращений. С 1957 по 1982 гг. лабораторию, а затем и отдел возглавлял д-р техн. наук, проф. Л.И. Лысак; с 1982 по 1994 г. - д-р физ.-мат. наук, проф. Б.И. Николин. С 1994 г. отделом руководит д-р физ.-мат. наук, проф. В.Е. Данильченко.
   Основное научное направление отдела - исследование условий и механизма образования и распада мартенситных фаз в сплавах на основе железа.
   Разработка метода рентгеносъёмки монокристаллов закалённой стали позволила развить новое научное направление в физическом металловедении - изучение структурного состояния закалённой и отпущенной стали - и во многом определило мировой уровень развития в области создания физических основ термической обработки стали (Г.В. Курдюмов, Л.И. Лысак). Использование этого метода на протяжении нескольких десятелетий у нас в стране и за рубежом показало его высокую информативность и достоверность. Метод позволяет благодаря закономерной ориентировке мартенситных кристаллов относительно исходного аустенитного монокристалла раздельно наблюдать на дифракционной картине сигналы дублетных и триплетных отражений. Это важнейшее обстоятельство дало возможность исследовать тонкие структурные эффекты и поведение отдельных субструктурных элементов закалённой стали, имеющих непосредственное отношение к механизму атомной перестройки при мартенситном превращении.
   Систематические исследования структурного состояния монокристаллов закалённой и отпущенной стали привели к построению общей картины кристаллоструктурных изменений при отпуске мартенсита, включающей процессы перераспределения атомов углерода по междоузлиям решётки, образования сегрегаций углерода, распада а-твёрдого раствора в две стадии, отличающиеся кинетикой и механизмом, формирования предкарбидных и карбидных выделений. Получены обширные экспериментальные данные о влиянии концентрации углерода, других легирующих элементов, пластической деформации, фазового наклёпа на первую и вторую стадию распада мартенсита (Л.И. Лысак, Я.Н. Вовк, А.Г. Драчинская, Ю.М. Полищук).
   Обнаружение мартенсита с аномально низкой тетрагональностью (Л.И. Лысак, Я.Н. Вовк) явилось толчком для многочисленных исследований структурного состояния свежеобразованного мартенсита закалённой стали. Было становлено, что новая фаза существует только при криогенных температурах и при нагреве до комнатной температуры превращается в alfa-мартенсит.
   Методами низкотемпературной рентгенографии монокристаллов впервые показано, что в закалённой стали двойниковая структура мартенсита по системе {011}<011> может образовываться двумя принципиально отличными путями. В высокоуглеродистой стали двойники превращения образуются без операции двойникования как варианты ориентационного соотношения в двойниках аустенита с кристаллографической избирательностью тех вариантов, которые обеспечивают релаксацию внутренних напряжений, возникших при gamma->alfa-переходе. В малоуглеродистой стали после завершения gamma->alfa-перехода при нагреве происходит релаксационное двойникование сформировавшихся мартенситных кристаллов (Л.И. Лысак, В.Е. Данильченко, Ю.М. Полищук, А.И. Устинов, В.И. Бондарь, В.А. Охрименко).
   Принципиальное значение для понимания механизма структурообразования стали при термической обработке имеют экспериментальные результаты, показавшие, что изменение кристаллической структуры мартенсита и многообразие структурного состояния при нагреве свежезакалённых сплавов в области криогенных температур определяются суперпозицией процессов релаксации когерентных внутренних напряжений, упорядочения атомов углерода и начальными стадиями выделения его в двойниковом и матричном alfa-твёрдых растворах. Ведущим процессом, определяющим изменение структурного состояния мартенсита в области низких температур, является диффузионное перераспределение атомов углерода как внутри решётки, так и с выходом его из alfa-твёрдого раствора (В.Е. Данильченко, В.И. Бондарь).
   Изучен круг явлений, связанных с формированием особого структурного состояния углеродистых железоалюминиевых сплавов, которые определяются сложными закономерностями ориентаций решёток мартенсита и аустенита, атомным упорядочением в аустените и К-фазе, аномалиями параметров решётки мартенсита, повышенной устойчивостью мартенсита к отпуску (Л.И. Лысак, Н.Н. Сторчак, А.Г. Драчинская, В.А. Андрющенок). Обнаружены особенности кристаллической структуры и магнитных свойств в приповерхностных слоях этих сплавов после импульсной лазерной обработки (В.А. Андрющенко, Е.Н. Дзевин, А.Г. Драчинская).
   В марганцевых сплавах найдена мартенситная фаза с необычной для металлов и сплавов многослойной решёткой - восемнадцать слоев в элементарной ячейке (Л.И. Лысак, Б.И. Николин). Определены координаты атомов в решётке є'-фазы и предложен атомный механизм образования є'-мартенсита из аустенита. Подробно изучены изменения свойств сталей при появлении є'-фазы, а также построена диаграмма мартенситных фаз для различных концентраций углерода и марганца (Л.И. Лысак, Б.И. Николин, Ю.Н. Макогон).
   Обнаружено и исследовано явление политипизма в металлических сплавах, который ранее был известен только в минералах и полупроводниковых кристаллах. В сплавах на основе кобальта впервые найдены мартенситные фазы с необычными для металлов многослойными кристаллическими решётками, содержащие в элементарных ячейках 100 и более плотноупакованных слоев. Показано, что такие структуры удовлетворяют структурному критерию политипизма, поэтому их можно рассматривать как особый вид политипии - мартенситные политипы (Б.И. Николин, А.Ю. Бабкевич, Н.Н. Шевченко, Т.Л. Сизова).
   Найдено явление полной перекристаллизации железоникелевого аустенита в результате многократного фазового наклёпа, вследствие чего аустенитный монокристалл постепенно превращался в поликристалл. Обнаружен и исследован класс кристаллических систем, представляющих собой монокристаллы исходной фазы, в которых в результате фазовых и структурных превращений, проистекающих при термоциклической, химико-термической и лазерной обработке, выделяются другие фазы в виде поликристаллической составляющей за счёт их неориентированного зарождения (В.Е. Данильченко, В.И. Бондарь).