微觀結構是材料的極小尺度結構，定義為材料制備表面的結構，如放大25倍以上的光學顯微鏡所顯示的。材料（如金屬、聚合物、陶瓷或復合材料）的微觀結構可以強烈影響物理性能，如強度、韌性、延展性、硬度、耐腐蝕性、高/低溫行為或耐磨性。這些特性反過來決定了這些材料在工業實踐中的應用。

比光學顯微鏡所能觀察到的尺度更小的微觀結構通常被稱為納米結構，而單個原子排列的結構被稱為晶體結構。生物標本的納米結構稱為超微結構.微觀結構對材料機械和物理性能的影響主要取決于結構存在或不存在的不同缺陷。這些缺陷可以有多種形式，但主要是孔隙。即使這些孔隙在材料特性的定義中起著非常重要的作用，它的成分也是如此。事實上，對于許多材料來說，不同的相可以同時存在。這些相具有不同的特性，如果管理得當，可以防止材料斷裂。

在普通物體的宏觀結構特征中可以觀察到微觀結構的概念。鍍鋅鋼，例如燈柱或道路分隔線的外殼，呈現出不同深淺不一的灰色或銀色互鎖多邊形拼湊而成的不均勻顏色。每個多邊形都是附著在下方鋼表面的單晶鋅。鋅和鉛是兩種常見的金屬，它們形成肉眼可見的大晶體（晶粒）。每個晶粒中的原子被組織成七個3d堆疊排列或晶格之一（立方、四面體、六方、單斜、三斜、菱形和斜方）。相鄰晶體的矩陣排列方向不同，導致鍍鋅表面上互鎖晶粒的每個呈現面的反射率不同。平均晶粒尺寸可以通過加工條件和成分控制，大多數合金由肉眼不可見的小得多的晶粒組成。這是為了增加材料的強度（參見Hall-Petch強化）。

為了量化微觀結構特征，必須表征形態和材料特性。圖像處理是確定體積分數等形態特征的強大技術，夾雜物形態，空洞和晶體方向。為了獲得顯微照片，通常使用光學顯微鏡和電子顯微鏡。為了確定材料特性，納米壓痕是一種可靠的技術，可用于確定傳統測試不可行的微米和亞微米級別的特性。傳統的機械測試，如拉伸測試或動態機械分析(DMA)只能返回宏觀特性，而沒有任何微觀結構特性的跡象。然而，納米壓痕可用于確定均質和異質材料的局部微觀結構特性。微觀結構也可以使用高階統計模型來表征，通過該模型從圖像中提取一組復雜的統計特性。然后，這些屬性可用于生成各種其他隨機模型。

生成計算機模擬的微觀結構以復制實際微觀結構的微觀結構特征。這種微結構被稱為合成微結構。合成微結構用于研究哪些微結構特征對于給定的性能是重要的。為確保生成的微觀結構和實際微觀結構之間的統計等效性，在生成后修改微觀結構以匹配實際微觀結構的統計數據。這種程序能夠生成理論上無限數量的計算機模擬微觀結構，這些微觀結構在統計上是相同的（具有相同的統計數據）但隨機不同（具有不同的配置）。

除非需要，否則微觀結構中的孔對性能來說是不利的。事實上，在幾乎所有的材料中，孔隙都會是材料破裂的起點。它是裂紋的起始點。此外，毛孔通常很難去除。

稍后描述的那些技術涉及高溫工藝。然而，即使是這些過程有時也會使毛孔變得更大。具有大配位數（被許多粒子包圍）的孔在熱過程中趨于增長。這是由于熱能被轉化為顆粒生長的驅動力，這將導致孔的生長，因為高配位數阻止了向孔的生長。對于許多材料，從它們的相圖中可以看出，多個相可以同時存在。這些不同的相可能表現出不同的晶體結構，從而表現出不同的機械性能。此外，這些不同的相也表現出不同的微觀結構（晶粒尺寸、取向）。這也可以改善一些機械性能，因為可能會發生裂紋偏轉，從而進一步推動最終破壞，因為它會在較粗的微觀結構中產生更曲折的裂紋路徑。

在某些情況下，簡單地改變材料的加工方式就會影響微觀結構。一個例子是鈦合金TiAl6V4。使用SLM（選擇性激光熔化）增強其微觀結構和機械性能，這是一種使用粉末的3D打印技術，并使用高功率激光將顆粒熔化在一起。用于改善微觀結構的其他常規技術是熱處理。這些過程依賴于溫度升高會導致孔隙減少或消失的原理。熱等靜壓(HIP)是一種制造工藝，用于減少金屬的孔隙率并增加許多陶瓷的密度材料。這提高了材料的機械性能和可加工性。HIP工藝將所需材料暴露于等靜壓氣體壓力以及密封容器中的高溫（高壓）。在此過程中使用的氣體主要是氬氣。氣體必須是化學惰性的，以便它與樣品之間不發生反應。壓力是通過簡單地向密封容器加熱來實現的。然而，一些系統還將氣體泵送與過程相關聯，以達到所需的壓力水平。施加在材料上的壓力是相等的，并且來自各個方向（因此稱為“等靜壓”）。對鑄件進行HIP處理時，同時施加熱量和壓力，通過塑性變形、蠕變和擴散結合的組合消除內部空隙和微孔；該工藝提高了部件的抗疲勞性。