Gleichgewicht in der Werkstoffwissenschaft bezeichnet einen makroskopisch zeitinvarianten Zustand, in dem sich treibende Kräfte auf thermodynamischer, mechanischer oder chemischer Ebene gegenseitig kompensieren. Formal ist im thermodynamischen Gleichgewicht das totale differentielle der freien Energie unter den gegebenen Zwangsbedingungen minimal (bzw. die freie Energie ist im zulässigen Zustandsraum im Minimum).

Im thermodynamischen Gleichgewicht sind Temperatur, Druck und chemische Potentiale über das System homogen, und es findet kein Nettofluss von Masse oder Energie statt. Phasengleichgewichte, etwa das Flüssig–Dampf–Gleichgewicht, werden durch die Gleichheit der chemischen Potentiale einer Komponente in allen Phasen beschrieben. In Mehrkomponentensystemen bestimmen diese Bedingungen in Verbindung mit Stoffbilanzen die Gleichgewichtszusammensetzungen, wie sie in Phasendiagrammen dargestellt sind.

Mechanisches Gleichgewicht liegt vor, wenn die Summe aller Kräfte und Momente verschwindet; dies ist etwa für spannungsfreie oder statisch belastete, aber unverformte Proben relevant. Thermisches Gleichgewicht ist durch uniforme Temperatur und das Ausbleiben von Wärmeflüssen charakterisiert.

In vielen werkstofftechnisch relevanten Fällen wird nur lokales Gleichgewicht erreicht: Auf Längenskalen größer als den Diffusionsweg innerhalb der relevanten Zeit erscheint das System im Gleichgewicht, obwohl global noch Gradientengefälle bestehen. Das Konzept des Paräquilibriums verallgemeinert dies, indem etwa schnelle Zwischengitteratome im Gleichgewicht sind, während substitutionelle Atome kinetisch eingefroren bleiben. Solche Näherungen sind zentral für die Beschreibung von Ausscheidungsreaktionen, Phasenumwandlungen und thermochemischen Prozessen.