金屬的性能與其組織有關，而組織與結晶過程有關，因而要了解金屬的結晶規律，以便控制結晶過程，形成希望得到的組織和性能。
2.2.1 純金屬的結晶
（1）結晶的概念
除少數粉末冶金制品外，絕大多數金屬制件都是經過熔化、冶煉和澆注而獲得的，這種由液態轉變為固態的過程稱為凝固。如果凝固的固態物質是晶體，則這種凝固又稱為結晶。一般金屬固態下都是晶體，因而金屬凝固過程可稱為結晶。
（2）純金屬的冷卻曲線
純金屬都有一個固定的熔點（或結晶溫度），高于此溫度熔化，低于此溫度才能結晶成為晶體。金屬的結晶溫度通常用熱分析等實驗方法來測定。圖1．2．6所示為純金屬的冷卻曲線，其原理是在液態金屬的緩慢冷卻的過程中，每隔一定時間測量一次溫度，直到冷卻至室溫。然后將測量的結果繪制在溫度-時間的坐標上，就可得到純金屬的冷卻曲線。
由冷卻曲線可見，液態金屬隨時間的延長，它所含的熱量不斷散失，其溫度也不斷下降，但當冷卻到某一溫度時，冷卻的時間雖然增加，但溫度并不下降，在冷卻曲線上出現了一個水平線段，這個水平線段所對應的溫度就是純金屬進行結晶的溫度。出現水平線段的原因，是由于結晶時放出的結晶潛熱補償了金屬向外界散失的熱量。結晶完成后，由于金屬繼續向周圍環境散熱，故溫度又重新下降。
純金屬在極其緩慢的冷卻條件下測得的結晶溫度稱為理論結晶溫度To。但在實際生產中，金屬由液態結晶為固態都有較大的冷卻速度，此時金屬要在理論結晶溫度以下某一溫度才開始進行結晶，這一溫度稱為實際結晶溫度T n。金屬的實際結晶溫度低于理論結晶溫度的現象稱為過冷現象。而理論結晶溫度與實際結晶溫度之差稱為過冷度，用ΔT表示，即ΔT= T n- T o。金屬結晶時的過冷度大小與冷卻速度有關，冷卻速度越大，過冷度就越大，即金屬的實際結晶溫度越低。
圖1．2．6 純金屬結晶時的冷卻曲線
2.2.2 純金屬的結晶過程
金屬結晶時，首先從液態金屬中形成一些極細小的晶體，這些極細小的晶體稱為晶核，它不斷吸附周圍液體中的原子而長大。與此同時，在液體中又不斷產生新的晶核并相繼長大，直到全部液體凝固為止，最后金屬便由許多外形不規則的小晶體（晶粒）所組成，如圖1．2．7所示。因此，液體金屬的結晶過程包括晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程，而且這兩個過程是同時進行的。
圖1．2．7 純金屬結晶過程示意圖
（1）晶核的形成
當液態金屬冷至結晶溫度以下時，某些近似晶體原子排列的小原子集團便成為結晶核心，這種由液態金屬內部自發形成結晶核心的過程稱為自發形核。但在實際金屬中常有雜質存在，這些雜質固態質點的存在能夠促進在其表面上形成晶核。這種依附于雜質而形成的晶核稱為非自發形核。自發形核和非自發形核在金屬結晶時同時進行的，但非自發形核比自發形核更為重要，在金屬結晶過程中起優先和主導作用。
（2）晶核的長大
晶核形成后，當過冷度較大或金屬液體中存在雜質時，金屬晶體常以樹枝狀的形式生長，在晶核開始長大初期，因其內部原子規則排列的特點，故外形也是比較規則的。但隨著晶核的繼續長大，形成了晶體的尖角和棱邊，由于尖角和棱邊處的散熱條件優于其他部位，并易于存在晶體缺陷等原因，晶體在頂角和棱邊處優先長大，其生長方式像樹枝一樣，先長出干枝，稱為一次晶軸，然后在一次晶軸伸長和變粗的同時，在其側面棱角和缺陷處又長出分枝，稱為二次晶軸。隨著時間的延長，二次晶軸長成的同時又長出三次晶軸等，如此不斷成長和分枝下去，直至液體全部消失，最后得到的晶體稱為樹枝狀晶體（簡稱枝晶），每一枝晶將成長為一個晶粒。
2.2.3 金屬結晶后晶粒的大小
晶粒大小對金屬力學性能的影響
金屬結晶后是由許多晶粒組成的多晶體。晶粒的大小對金屬的力學性能有很大的影響。一般情況下，晶粒越細小，金屬的強度、塑性和韌性越好。為了提高金屬的力學性能，希望得到細晶組織，因此必須了解影響晶粒大小的因素及其控制方法。
結晶后的晶粒大小主要取決于形核率N（單位時間、單位體積內所形成的晶核數目）與晶核的長大速率G（單位時間內晶核向周圍長大的平均線速度）。顯然，凡能促進形核率N，抑制長大速率G的因素，均能細化晶粒。
在生產中，為了獲得細晶粒組織，常采用以下方法：
1）增加過冷度
形核率和長大速率都隨過冷度增大而增大，但在很大的范圍內形核率比晶核長大速率增長得更快。故過冷度越大，單位體積中的晶粒數目越多，晶粒越細小。這種生產方法適用于中、小型鑄件的生產。
2）變質處理
對于一些大型鑄件，由于散熱較慢，要獲得較大的過冷度很困難，且較大的過冷度往往導致鑄件開裂而造成廢品。為了獲得細晶粒組織，通常在澆注前向液態金屬中人為地加入一些細小的變質劑，使其大量增加非自發晶核，從而得到細晶粒組織。這種細化晶粒的方法稱為變質處理。例如，向鋼液中加入鋁、釩、硼；向鑄鐵中加入Si-Fe；向鋁液中加入鈦、鋯等。變質處理在生產中應用廣泛。
3）振動
機械振動、超聲波振動、電磁振動使枝晶折斷、破碎，也能使晶核數目增多，從而細化晶粒。
