Modellierung in der Werkstoffforschung bezeichnet die formale, meist mathematische Beschreibung werkstoffrelevanter Prozesse und Eigenschaften über mehrere Längenskalen und Zeitskalen hinweg. Ziel ist es, Struktur–Eigenschafts–Verarbeitungs–Beziehungen quantitativ zu erfassen, vorhersagbar zu machen und so Experimente zu ergänzen oder zu ersetzen.

Grundlegend wird zwischen physikalisch begründeten Modellen (z.B. ab-initio-Modellierung, Kristallplastizitätsmodellierung, Phasenfeldmodellierung) und datengetriebenen Ansätzen (z.B. maschinelles Lernen auf Werkstoffdaten) unterschieden. Ab-initio-Methoden liefern elektronische und atomare Eigenschaften, die in thermodynamische Modelle wie CALPHAD eingebettet werden können. CALPHAD-Modellierung beschreibt Phasengleichgewichte und thermodynamische Zustandsgrößen auf Basis von experimentellen und berechneten Datensätzen.

Kontinuumsnahe Verfahren wie Kristallplastizitäts- oder Phasenfeldmodelle erlauben die Simulation von Mikrostrukturevolution, Phasenumwandlungen oder Verformungsprozessen. Numerische Modellierung, meist mittels Finite-Elemente-, Finite-Volumen- oder Spektralmethoden, dient der Lösung der zugrunde liegenden partiellen Differentialgleichungen auf relevanten Geometrien und Randbedingungen.

Modellierung ist typischerweise in hierarchische oder integrierte Mehrskalenansätze eingebettet, bei denen Informationen von der Quanten- bis zur Bauteilebene weitergegeben werden. Zentrale Herausforderungen sind Validierung und Unsicherheitsquantifizierung, die Verknüpfung heterogener Datenquellen sowie die Standardisierung von Schnittstellen zwischen verschiedenen Materialmodellen und Simulationswerkzeugen.