金属开始凝固的温度恒低于其熔点。这种现象称为过冷。过冷度随液体冷却速度的提高而增大。
　　金属凝固的基本过程是形核与晶核的长大。形核的热力学驱动力是固体与液体的自由焓负差值。只有在过冷的条件下才具有这一动力。形核的热力学阻力是固体-液体的界面能，即晶核的表面能。
　　将要凝固的液体中存在着许多大小不等的晶胚，其表面能一般均超过固-液自由焓负差值，其中大多数将时而出现，时而消散。几何尺寸超过一定临界值的晶胚则可以稳定长大，这就是晶核。较小的晶胚可由于热起伏而增大其尺寸并成为晶核。具有临界尺寸的晶胚表面能仍大于固-液自由焓负差值，这些晶胚的出现仍使系统自由焓增大，而且增大程度超过较小的晶胚。但这种晶胚继续长大时却可使总自由焓下降。出现具有临界尺寸的晶胚产生的自由焓增值称为形核功。
　　无择尤位置形核称为均匀形核，反之则称为非均匀形核。以均匀形核方式凝固比以非均匀形核方式凝固过冷度大得多。形核率与过冷度有关。形核率-过冷度曲线为具有最高点的上凸曲线。
　　晶核长大时也需要一定的动态过冷度，但数值较小。长大机制决定于液固界面的微观结构。典型金属凝固时具有微观粗糙的固-液界面，这种界面以垂直长大机制迁移。长大速度-过冷度曲线也是具有最高点的上凸曲线。
　　单位体积铸造金属中的晶粒数与形核率/长大速度的3/4方成正比。金属液体快速冷却或加入促进非均匀形核的物质，均可细化铸造金属的晶粒并改善其力学性能。