Die Mikrostruktur bezeichnet die Anordnung und Morphologie der Phasen, Körner, Ausscheidungen, Poren und Defekte in einem Werkstoff auf Längenmaßstäben von etwa wenigen Nanometern bis zu einigen Hundert Mikrometern. Sie stellt das zentrale Bindeglied zwischen chemischer Zusammensetzung, Prozesshistorie und den resultierenden mechanischen, thermischen, elektrischen und korrosiven Eigenschaften dar.

Wesentliche Mikrostrukturelemente sind Korngröße und -form, Korngrenzencharakter, Phasenverteilung (z. B. Ferrit, Perlit, Martensit in Stählen), Textur, Ausscheidungs- und Dispersoidpopulation, Versetzungsdichte sowie die Verteilung von Porositäten und Rissen. Die mikrostrukturelle Evolution während Prozessen wie Erstarrung, Umformung, Wärmebehandlung oder additiver Fertigung bestimmt die Mikrostrukturentwicklung und damit das Eigenschaftsprofil.

Die Mikrostrukturanalyse und Gefüge-Charakterisierung erfolgt mittels Licht- und Elektronenmikroskopie (z. B. SEM, TEM), Elektronenrückstreubeugung (EBSD), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) sowie 3D-Methoden wie FIB-Tomographie oder Röntgen-Computertomographie. Die quantitative Gefügeanalyse nutzt stereologische und bildanalytische Verfahren zur Bestimmung von Korngrößenverteilungen, Phasenanteilen, Partikelgrößen und -abständen sowie Texturparametern.

Mikrostrukturdesign verfolgt das zielgerichtete Einstellen von Gefügen durch Legierungsentwicklung und Prozessführung, etwa feinkörnige, ausscheidungsgehärtete oder TRIP-/TWIP-Mikrostrukturen. Moderne Ansätze koppeln dabei experimentelle mikrostrukturelle Analysen mit Simulationsmethoden (z. B. Phasendiagrammrechnungen, Phasenfeldmodelle) zur Vorhersage und Optimierung der Mikrostrukturentwicklung.