In den Ingenieur- und Naturwissenschaften bezeichnet der Begriff Phänomen jede beobachtbare Erscheinung, die sich aus den zugrunde liegenden physikalischen, chemischen oder mechanischen Prozessen eines Systems ergibt. In der Werkstoffforschung umfasst dies beispielsweise Phasenübergänge, plastische Verformung, Rissinitiierung und -ausbreitung, Diffusion, Korrosion oder Alterungs- und Relaxationseffekte.

Wissenschaftlich relevant ist die saubere Unterscheidung zwischen der deskriptiven Ebene des Phänomens und der erklärenden Ebene der zugrunde liegenden Mechanismen und Modelle. So ist etwa Kriechen zunächst als zeitabhängige, irreversible Deformation unter Last ein Phänomen; dessen Beschreibung erfolgt phänomenologisch (z.B. durch Kriechkurven und konstitutive Gleichungen), während mikroskopische Modelle auf Versetzungsbewegung, Korngrenzen- oder Diffusionsprozesse zurückgreifen.

Phänomene werden typischerweise durch systematische Experimente, in-situ-Methoden (z.B. in-situ-REM, Synchrotronbeugung) und numerische Simulationen charakterisiert. Wichtige Aspekte sind Reproduzierbarkeit, Skalierung (von atomaren bis zu makroskopischen Längenskalen) sowie der Einfluss von Temperatur, Spannungszustand, Mikrostruktur und Umgebung.

In der Modellbildung unterscheidet man phänomenologische Modelle, die beobachtbares Verhalten mit wenigen, oft empirischen Parametern erfassen, von mikromechanischen oder physikalisch basierten Modellen, die aus den verursachenden Mechanismen abgeleitet sind. Das systematische Erfassen und Kategorisieren von Phänomenen bildet die Grundlage für Werkstoffdesign, Lebensdauerprognose und Zuverlässigkeitsanalysen technischer Bauteile.