结晶
机制，在熔体中，原子没有固定的排列方式，相反地，而是随意分布且连续不断运动着，构成少量金属的大量原子钟，一些原子的位置在任意时刻是和在固态下的有序排列一致的。这些偶然的偏聚并不是永恒的而是不断地散并在其它地方重新聚集。它们的寿命受温度的聚集尺寸这两个因素的影响。温度越高，原子运动形成聚集体的速度越快。如果聚集体仅由几个原子形成，那么丢失甚至只是这些原子当中的一个原子都会破坏聚集体。如果是由很多原子形成的聚集体，则通过获得别的原子来补偿丢失的那个原子的机会越大。小聚集体不稳定，寿命短，可能只有大约几千分之一秒的寿命。而很大的聚集体的寿命长当熔体冷却时，原子运动减慢，聚集体的寿命延长，同时越来越多的聚集体出现了。在同一温度下，材料在固态时所具有的内能要比液态的低。因此凝固时放热。然而，一个界面必须存在于两相之间（在这条件下是液相和固相）。介面的形成需要能量，因此只有当凝固时释放的能量大于介面形成所需的能量时聚集体才能凝固。凝固时释放的能量是和聚集体中的原子数量成正比的：介面形成所需能量的表面大小成正比。当聚集体足够大，系统的总自由能下降时，凝固成为可能。
在纯金属中，只有当金属刚好低于它的凝固点这一有限的时间内才能得到凝固条件。在很多情况下，纯金属必须过冷大约200-400F才能观察到结晶。对于不含杂质的金属，特别是固态，这确实是真的。杂质能减少形成便捷持循，降低了形成介面所需的能量，因而加快了反应速率，因而商用金属和合金常常含有杂质，这样，只过冷几度就可以发生结晶了。
现在已经凝固的聚集体作为进一步结晶的核心或中心。随着金属的继续冷却，越来越多原子凝固。这些原子自身形成新核心或可能加入已存在的核心连接。每个核心随着持续凝固的原子的增加而生长。这些原子在合适的位置和核心连接，因此核心在某一方向上显著生长。这种优先生长引起一种叫做枝晶的典型结构。开始时，核心及其形成的枝晶被液体包围并可以在各方向生长。一会儿后枝晶长到一定阶段并相遇，形成晶界，仍处于液态的自由原子在枝晶臂内凝固，愈合它们之间的缝隙，直到所有的金属是多边形晶体的形式凝固，从核心到最终的晶体这一结晶过程如图表5-1用示意图所示，晶体和枝晶之间的关系如图表5-2所示。一般地结晶的第一个核心有不同的方向，它们形成的枝晶确定核心方位，所以产生的晶体是随机定向的。
第二课晶粒大小
晶粒尺寸在凝固中形成的晶粒大小是由形成晶核的数量所决定。如果晶核的数量足够多，就可以形成大量的小晶体，生产出细晶材料。相反，如果只形成少量的晶核，生产出来的晶体体积就大。冷却速度是控制晶粒大小的最重要因素。假若熔融金属散热很快，造成明显的过冷和形成一些晶核。速度若下降很慢，只有少量的晶核形成，而且它们长成的晶粒较大。因此慢冷产生粗晶材料。这些论述假设在凝固时，熔融金属或合金的温度是均匀的，并且冷却是使熔体各处温度不产生差异。锁依晶核的形成遍布熔体内，并且树枝晶遍及其内。
实际上，模子内金属的散热只能通过与较冷的模子或空气接触的金属外表面发生。这造成熔体外面温度比中心低的温度梯度。明显，外面比中心要先达到凝固点并开始凝固。因此，在铸锭外表面形成含有大量细晶的一层，凝固进行时，这些晶体常常向各个方向生长。但因立即遇上相邻的晶体，它们在相当程度上不
能向一侧生长。只有向中心方向的生长是自由的，即造成柱状晶。
金属的凝固伴随着收缩，并且当铸件外表面收缩与模子分离的时候，铸件与模子间留有一薄空气层。因为空气的热导性小和铸件散热的突然变慢，这改变了凝固的条件，因为铸件外面的散热不够吸热快引起内外温差减少和几乎消失。柱状晶生长慢下来和当中心已达到凝固温度时，新的晶核开始形成和生长，直到剩下的金属完全凝固为止。所以如图5-3所示，铸件常常形成三部分：表面细等轴晶，中间柱状晶区，中心粗等轴晶。
合金成分也明显影响凝固的过程。在大多数合金中，形成固体和与之平衡的液体之间存在成分的差异。当比合金富含A金属的少量固体形成，包围着它的液体变得富含B金属。直到A金属扩散补充到液体，固体的生长才能进一步发生。这减慢了第一批晶核的生长，并且有利于新晶核的产生，因而减少最终晶粒的大小。
比如浇铸温度，模子类型和温度，铸件设计等其它因素，明显地影响了铸件的晶粒大小和三典型层的厚度。一般来说，有利细等轴晶的形成通过：（1）薄铸件横截面，（2）在接近凝固点的浇铸温度（3）模子的高热导性，（4）固液相间大的成分差异，（5）母子相对的高温。有利于柱状晶的形成通过：（1）模子的低热导性（2）大的铸件横截面和（3）在高于凝固点的浇铸温度。
有着低热导性和几乎没有骤冷影响的沙模用于制造第三区占主导且和其它两区几乎看不见的铸件。金属模子中的铸件，散热很快，其金属稍微高于熔点，有利于第一层的形成，并且在薄的铸件中第二，三层可能完全消失，有唯一凝固温度的纯金属或有窄凝固范围的固熔合金中，柱状晶常常占主导；这在金属浇铸温度远高于其熔点时特别明显，因为在这种情况下温度梯度增加了。
因我们通常想得到细晶材料，控制这些影响晶粒大小的因素是值得的。一般说来，铸件中的合金成分，模子类型，铸件横截面不能明显地调整，并且晶粒尺寸很少通过这些方法来控制。
浇铸温度是控制晶粒尺寸的最重要因素之一。但是，浇铸温度决定于铸件的设计，因为温度越低熔融金属越粘稠。所以必须应用最低的温度使金属仍有足够的流动性填充整个模子。
在有很薄横截面积和很厚横截面积相接触的铸件制造中，晶粒大小的问题变得很严峻，填充薄截面需要破坏厚截面中晶粒大小的高温。因为模子吸热速度影响晶粒大小，一种补救方法是使与厚截面接触的模子部分保持更冷，或者利用在模子中比其它部分有更高热导性的插入物。但是这因柱状晶的形成或残余应力可能产生麻烦。
晶粒细化剂是一种材料--当加入销量到熔融金属中时--生产出有低冷却速度的细晶材料。当浇铸热金属时，它们的作用十分地明显。图5-4所示加入和没有加入细晶细化剂的同一种材料的铸件。细晶细化剂的工作方法还不是很清楚：它们明显创造出中在熔体中有利于大量晶核形成的条件。这种效果的发生是因为小粒子的晶粒细化剂担当结晶的晶核或是因为晶粒细化剂改变熔体中的条件以便于稳定大量的聚结还不知道。晶粒细化剂的应用延伸到有色金属铸造工业，特别是铝和镁。
