Unter einer Atmosphäre versteht man in der Werkstofftechnik das umgebende Gas- bzw. Dampfmedium, das während Synthese, Verarbeitung, Wärmebehandlung oder Charakterisierung eines Werkstoffs mit diesem in Wechselwirkung treten kann. Zusammensetzung, Druck und Feuchtegehalt der Atmosphäre beeinflussen Gefüge, Phasenstabilität, Oxidation, Korrosion sowie mechanische und funktionelle Eigenschaften.

Von zentraler Bedeutung ist der Sauerstoffpartialdruck, der das Oxidations- bzw. Reduktionsvermögen einer Atmosphäre bestimmt. Sauerstofffreie oder sauerstoffarme Atmosphären (z. B. Vakuumatmosphäre, Inertgasatmosphäre wie Argon- oder Stickstoffatmosphäre) werden eingesetzt, um Oxidation, Entkohlung oder unerwünschte Phasenbildung zu unterdrücken. Dagegen werden reaktive Atmosphären mit definiertem Gehalt an O₂, H₂, N₂, CO, CO₂ oder H₂O genutzt, um gezielt Oxidation, Karburierung, Nitridierung oder Sinterreaktionen zu steuern.

Offene Atmosphären (Luft) sind prozessökonomisch attraktiv, erfordern aber genaue Kontrolle von Temperatur-Zeit-Zyklen und Gasströmung, um reproduzierbare Randzonen und Oxidschichten zu gewährleisten. In metallischen Werkstoffen können sich unter Spannungs- und Versetzungsfeldern sogenannte Cottrell-Atmosphären aus interstitiellen Atomen (z. B. C, N) bilden, die Versetzungen „atmosphärisch“ umhüllen und das Verfestigungsverhalten beeinflussen.

Die präzise Einstellung und Überwachung industrieller Prozessatmosphären erfolgt typischerweise über Gasanalytik (z. B. O₂‑Sonden, Restgasanalyse) sowie über Thermodynamik- und Transportmodellierung, da selbst Spurengehalte reaktiver Komponenten das Werkstoffverhalten signifikant ändern können.