金属的性能与其组织有关，而组织与结晶过程有关，因而要了解金属的结晶规律，以便控制结晶过程，形成希望得到的组织和性能。
2.2.1 纯金属的结晶
（1）结晶的概念
除少数粉末冶金制品外，绝大多数金属制件都是经过熔化、冶炼和浇注而获得的，这种由液态转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是晶体，则这种凝固又称为结晶。一般金属固态下都是晶体，因而金属凝固过程可称为结晶。
（2）纯金属的冷却曲线
纯金属都有一个固定的熔点（或结晶温度），高于此温度熔化，低于此温度才能结晶成为晶体。金属的结晶温度通常用热分析等实验方法来测定。图1．2．6所示为纯金属的冷却曲线，其原理是在液态金属的缓慢冷却的过程中，每隔一定时间测量一次温度，直到冷却至室温。然后将测量的结果绘制在温度-时间的坐标上，就可得到纯金属的冷却曲线。
由冷却曲线可见，液态金属随时间的延长，它所含的热量不断散失，其温度也不断下降，但当冷却到某一温度时，冷却的时间虽然增加，但温度并不下降，在冷却曲线上出现了一个水平线段，这个水平线段所对应的温度就是纯金属进行结晶的温度。出现水平线段的原因，是由于结晶时放出的结晶潜热补偿了金属向外界散失的热量。结晶完成后，由于金属继续向周围环境散热，故温度又重新下降。
纯金属在极其缓慢的冷却条件下测得的结晶温度称为理论结晶温度To。但在实际生产中，金属由液态结晶为固态都有较大的冷却速度，此时金属要在理论结晶温度以下某一温度才开始进行结晶，这一温度称为实际结晶温度T n。金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。而理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，用ΔT表示，即ΔT= T n- T o。金属结晶时的过冷度大小与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，即金属的实际结晶温度越低。
图1．2．6 纯金属结晶时的冷却曲线
2.2.2 纯金属的结晶过程
金属结晶时，首先从液态金属中形成一些极细小的晶体，这些极细小的晶体称为晶核，它不断吸附周围液体中的原子而长大。与此同时，在液体中又不断产生新的晶核并相继长大，直到全部液体凝固为止，最后金属便由许多外形不规则的小晶体（晶粒）所组成，如图1．2．7所示。因此，液体金属的结晶过程包括晶核的形成和晶核的长大两个基本过程，而且这两个过程是同时进行的。
图1．2．7 纯金属结晶过程示意图
（1）晶核的形成
当液态金属冷至结晶温度以下时，某些近似晶体原子排列的小原子集团便成为结晶核心，这种由液态金属内部自发形成结晶核心的过程称为自发形核。但在实际金属中常有杂质存在，这些杂质固态质点的存在能够促进在其表面上形成晶核。这种依附于杂质而形成的晶核称为非自发形核。自发形核和非自发形核在金属结晶时同时进行的，但非自发形核比自发形核更为重要，在金属结晶过程中起优先和主导作用。
（2）晶核的长大
晶核形成后，当过冷度较大或金属液体中存在杂质时，金属晶体常以树枝状的形式生长，在晶核开始长大初期，因其内部原子规则排列的特点，故外形也是比较规则的。但随着晶核的继续长大，形成了晶体的尖角和棱边，由于尖角和棱边处的散热条件优于其他部位，并易于存在晶体缺陷等原因，晶体在顶角和棱边处优先长大，其生长方式像树枝一样，先长出干枝，称为一次晶轴，然后在一次晶轴伸长和变粗的同时，在其侧面棱角和缺陷处又长出分枝，称为二次晶轴。随着时间的延长，二次晶轴长成的同时又长出三次晶轴等，如此不断成长和分枝下去，直至液体全部消失，最后得到的晶体称为树枝状晶体（简称枝晶），每一枝晶将成长为一个晶粒。
2.2.3 金属结晶后晶粒的大小
晶粒大小对金属力学性能的影响
金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体。晶粒的大小对金属的力学性能有很大的影响。一般情况下，晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性越好。为了提高金属的力学性能，希望得到细晶组织，因此必须了解影响晶粒大小的因素及其控制方法。
结晶后的晶粒大小主要取决于形核率N（单位时间、单位体积内所形成的晶核数目）与晶核的长大速率G（单位时间内晶核向周围长大的平均线速度）。显然，凡能促进形核率N，抑制长大速率G的因素，均能细化晶粒。
在生产中，为了获得细晶粒组织，常采用以下方法：
1）增加过冷度
形核率和长大速率都随过冷度增大而增大，但在很大的范围内形核率比晶核长大速率增长得更快。故过冷度越大，单位体积中的晶粒数目越多，晶粒越细小。这种生产方法适用于中、小型铸件的生产。
2）变质处理
对于一些大型铸件，由于散热较慢，要获得较大的过冷度很困难，且较大的过冷度往往导致铸件开裂而造成废品。为了获得细晶粒组织，通常在浇注前向液态金属中人为地加入一些细小的变质剂，使其大量增加非自发晶核，从而得到细晶粒组织。这种细化晶粒的方法称为变质处理。例如，向钢液中加入铝、钒、硼；向铸铁中加入Si-Fe；向铝液中加入钛、锆等。变质处理在生产中应用广泛。
3）振动
机械振动、超声波振动、电磁振动使枝晶折断、破碎，也能使晶核数目增多，从而细化晶粒。
