Metastabilität bezeichnet Zustände eines thermodynamischen Systems, die nicht dem globalen Gleichgewicht entsprechen, aber über endliche Zeiten stabil erscheinen, weil die Umwandlung in den stabileren Zustand durch kinetische Barrieren gehemmt ist. In der Werkstofftechnik sind solche Zustände von zentraler Bedeutung, da viele technisch genutzte Gefüge metastabil sind.

Thermodynamisch liegt ein metastabiler Zustand in einem lokalen Minimum der freien Enthalpie, getrennt vom globalen Minimum durch eine Aktivierungsbarriere. Die Realisierung und Erhaltung metastabiler Phasen beruht auf kontrollierter Kinetik: schnelle Abkühlung (Abschrecken), Legierungsdesign oder mechanische Verformung können Diffusion und Phasenseparation unterdrücken.

Ein prominentes Beispiel ist die β‑Metastabilität in Titan- oder Hochentropielegierungen, bei der eine bei Raumtemperatur eigentlich instabile Hochtemperatur‑β‑Phase durch Abschrecken eingefroren und durch nachfolgende Wärmebehandlung oder mechanische Belastung gezielt in fein verteilte α‑ oder martensitische Phasen überführt wird. Diese Transformationen ermöglichen ein Metastabilitätsengineering, bei dem Phasensequenzen, Ausscheidungskinetik, Stapelfehlerenergie und mechanische Zwillinge so eingestellt werden, dass Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit optimiert werden.

Metastabilitäten treten auch in amorphen Metallen, übersättigten Mischkristallen und nanokristallinen Gefügen auf. Für die werkstofftechnische Anwendung ist die zeitliche Stabilität entscheidend: Alterung, Relaxation oder Rekristallisation können metastabile Strukturen abbauen. Eine präzise Beschreibung erfordert daher die Kombination thermodynamischer Gleichgewichtsbetrachtungen (Phasendiagramme, CALPHAD) mit kinetischen Modellen (Diffusion, Keimbildung, Wachstum), um die Nutzbarkeit metastabiler Zustände über den gesamten Lebenszyklus eines Bauteils vorhersagen zu können.