Substrukturen bezeichnen hierarchische Strukturelemente unterhalb der Korngrößenordnung, aber oberhalb der atomaren bzw. Gitterfehler-Skala. Sie entstehen typischerweise durch Verformung, Wärmebehandlung oder Phasenumwandlungen und beeinflussen maßgeblich die mechanischen, thermischen und teilweise auch die funktionellen Eigenschaften eines Werkstoffs.

In vielen metallischen Werkstoffen bilden sich während plastischer Verformung Dislokationszellen, Subkörner und Zellwände. Diese Substrukturen sind durch lokalisierte Anhäufungen von Versetzungen charakterisiert und führen zu Orientierungsmisorien innerhalb eines ursprünglichen Korns. Man spricht dann von Subkörnern mit geringer Winkelmisorientierung, deren Grenzen als Low-Angle Grain Boundaries beschrieben werden können.

Thermische Behandlung, insbesondere Rekristallisation und Erholung, modifiziert diese Substrukturen: Versetzungsdichten werden reduziert, Subkorngrenzen können sich zu Hochwinkelkorngrenzen entwickeln, und es entsteht eine neue Kornstruktur. Die resultierende Substruktur bestimmt die Fließspannung, Kriechbeständigkeit, Ermüdungslebensdauer und Zähigkeit in hohem Maße.

Experimentell werden Substrukturen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Elektronenrückstreubeugung (EBSD) mit hoher Winkelauflösung sowie Röntgen- und Neutronenbeugung charakterisiert. In der Modellierung werden sie über skalenübergreifende Ansätze beschrieben, z. B. durch Versetzungsdichte-basierte Plastizitätsmodelle oder kristallplastische Finite-Elemente-Methoden, in denen die Entwicklung der Substruktur explizit berücksichtigt wird.