Kristalliseerumisprotsess algab kristalliseerumiskeskmete ehk –tsentrite tekkimisega sulas metallis ja jätkub nende arvu ning nende ümber kristallide mõõtmete kasvuga.

Metalli või sulami vedelast olekust tahkesse üleminekul moodustuvad kristallid kasvavad vabalt ja omavad korrapärase geomeetrilise kuju. Kasv jätkub ainult nendes suundades, kus leidub sulametalli. Kuid kasvavate kristallide omavahelisel kokkupuutel nende kasv takistatakse ja korrapärasus rikutakse(joon.1.3). Tekkivaid ebakorrapärase kujuga kristalle nimetatakse teradeks või kristalliitideks. Kristalliseerumisprotsess kogu ulatuses toimub ajavahemikul, mil aine jahtub alates oma sulamistemperatuurist kuni toatemperatuurini, mida iseloomustab jahtumiskõver (joon.1.2.). Aine ülemineku protsessi vedelast faasist tahkesse olekusse – tahkesse faasi nimetakse primaarseks kristalliseerumiseks. Aine edasisel jahutamisel jätkub madalamatel kriitilistel temperatuuridel (joon.1.5), veel kristallvõrede kuju ja nende mõõtmete muutumine – tekivad modifikatsioonid. Seda protsessi etappi – aine jahtumist toatemperatuurini nimetatakse sekundaarseks kristalliseerumiseks .

T_S – teoreetiline kristalliseerumise temperatuur

T_n – tegelik kristalliseerumise temperatuur.

V, V₁, V₂ – jahtumiskiirus

D T = T_S – T_n – allajahtumise aste

Jahtumiskõvera (joon.1.2) horisontaalne lõik tähistab kristalliseerumise temperatuuri T_n ja protsessi kestvust, mille kestel jahtumise soojushulk kompenseeritakse kristallvõres aatomite ümbergrupeerumisel vabaneva energiaga – soojusena. Mida suurem on valitud jahtumiskiirus V , seda madalamal tegelikul temperatuuril T_n algab kristalliseerumise tsentrite teke ja kiiremini toimub aine kristalliseerumine. Tekkivat tegeliku kristalliseerumise temperatuuri T_n alanemist metalli teoreetilise sulamise temperatuuri Ts suhtes nimetakse allajahutamise astmeks ∆T.

Mida puhtam on metalli keemiline koostis, seda rohkem on võimalik teda sulas olekus alla jahutada. Jahtumiskiiruse suurenedes suureneb allajahtumiseaste, mis kutsub esile kristalliseerumistsentrite tekke arvulise suurenemise protsessi a ja b etapil (joonis 1.3.). Seetõttu järgmistel etappidel c, d, e ja f jääb vähemaks ruumi kristallide kasvamiseks tsentrite ümber ja tulemusena saame peeneteralisema struktuuriga parema kvaliteediga metalli (joonis 1.3.).

Metallis olevad mittelahustuvad lisandid (oksiidid, nitraadid jne.), mille osakese suurus on liigilähedane põhimetalli aatomitele võivad suurendada kristalliseerumistsentrite tekkimise kiirust ja seega nende arvu.

Sageli lisatakse sulamisse spetsiaalselt lisandeid, milliseid nimetatakse modifikaatoriteks. Protsessi ennast modifitseerimine, mis võimaldab sulamis saavutada 15 – 20 kordse tera suuruse vähenemise, tänu tekitatud suurele arvule kristalliseerimis tsentritele. Terasele lisatakse – alumiiniumi, titaani, vanaadiumi. Alumiiniumsulamitele – mangaani, titaani, vanaadiumi ja pindaktiivseid aineid. Tsentrite tekkimise ja kristallide kasvamise protsessi saame reguleerida primaarse kristalliseerumise etapil.

Metallid (raud, titaan, nikkel, koobalt, inglistina) võivad muuta oma struktuuri peale tardumist ka tahkes olekus jahtudes kuni toatemperatuurini – sekundaarse kristalliseerumise etapil. Metallide seda omadust nimetatakse allotroopiaks ehk polümorfismiks.

Aatomite ümberpaiknemine ja uue kristallvõre moodustumine toimub kindlatel temperatuuridel – kriitilistel temperatuuridel. Raual esineb mitu allotroopset e. polümorfset modifikatsiooni, milledel on erinevad omadused ja neid tähistatakse g, b, a ja jne.

Raua primaarne kristalliseerumine ja tahke faasi modifikatsiooni δ tekkimine toimub kriitilisel temperatuuril 1539^oC. Sekundaarse kristalliseerumise allotroopsed modifikatsioonide g, b, a muutused toimuvad kriitilistel temperatuuridel: 1392^oC, 911^oC ja 768^oC, vt. joon. 2.5. 

Joonisel 1.4. on kujutatud puhta raua Fe jahtumiskõver, näidatud kõik kriitilised temperatuurid, kristallvõrede tüübid ja võrede põhi parameetrid: aatomite arv, tahuka serva pikkus ja kõrgus.

Raud kristalliseerub (tahkestub) 1539^oC juures ruumis tsentreeritud kuupvõreks, mille serva pikkus

a = 2,93 Å. Seda faasi nimetatakse d -rauaks. Temperatuuril 1390^oC kristalliseerub d -raud ümber g -rauaks ja saab tahkudel tsentreeritud kuupvõre (a = 3,65 Å). Temperatuuril 911^oC kristalliseerub g -raud b -rauaks, saades uuesti ruumis tsentreeritud kuupvõre (a=2,9 Å). Allpool 911^oC kristallvõre kuju muutust enam ei toimu. Viimane temperatuuriseisak esineb siiski 768^oC juures, kus b -raud muutub a -rauaks. Ka sellel temperatuuril on jahtumiskõveral horisontaalne aste. Soojuse eraldumine on seotud kristallvõre parameetri a = 2,88 Å muutumisega ja metallis aatomisiseste muutuste tekkimisega, mille tulemusena raud saab endale magnetilised omadused. Järelikult on raual tahkes olekus ainult kaks allotroopset vormi (kaks erinevat kristallvõre): a -raud ja b -raud. Allotroopsete muutuste temperatuure on vajalik teada metallide termilisel töötlemisel ja kuumtöötlemisel – sepistamisel.

Sulamite jahtumiskõver erineb tunduvalt puhta metalli omast. Kriitilised temperatuurid muutuvad olenevalt sulami komponentide kogusest ja omadustest. Seetõttu sulamid ei kristalliseeru mitte konstantsel temperatuuril, vaid teatavas temperatuurivahemikus, mida iseloomustab kristalliseerumise algtemperatuur (kriitiline temperatuur T_{kr 1}) ja lõpptemperatuur T_{kr 2} (joon. 1.5.).

Nende temperatuuride T_kr1 ja T_kr2 vahel esineb sulamis kaks faasi – vedel ja tahke.

Metalli kristalliseerumisel võib täheldada kaht etappi:

I etapp – vedelasse metalli tekivad esimesed kristallid nn. kristalliseerumistsentrid;

II etapp – kristallide kasvamine ja metalliterade ehk kristalliitide kujunemine.

Joonisel 1.2 on kujutatud kriitilise temperatuuri allajahutamise astme suurust ΔT < ΔT₁ < ΔT₂ erinevatel jahutamise kiirustel v< v₁< v₂ – aeglasel ja kiirel kristalliseerumisprotsessil. Mida suurem on kriitilisel temperatuuril allajahtumise aste, seda rohkem tekib ajaühikus vedelasse metalli esmaseid kristalle(joon. 1.3.a), millede ümber hakkavad kasvama kristallid. Seepärast nimetataksegi esimesi kristalle kristalliseerumistsentriteks. Paralleelselt kristallide kasvamisega moodustub üha uusi kristalliseerumistsentreid (joon. 1.3.b). Kristallid kasvavad algul vabalt ja saavad korrapärase geomeetrilise kuju. Liig suure jahutuse kiirus korral võib kristallide kasvamine saada takistatud, mille tulemusena moonduvad kristallvõred, tekivad struktuuris defektid ja materjalis sisepinged.

Praktikas räägitakse sageli peene- ja jämedateralistest metallidest. Metalli tera suurus sõltub kristalliseerumistsentrite arvust ja kristallide kasvu kiirusest. Mida suurem on metalli jahtumiskiirus, seda rohkem tsentreid tekib ajaühikus ja seda vähem jääb ruumi kristallide kasvamiseks ning tulemuseks on peenemateralisema struktuuriga metall, millel on suurem tihedus, paremad mehaanilised, elektrilised ja magnetilised omadused.

Selleks , et saada defektideta struktuuriga, sisepingete vaba ja heade mehaaniliste omadustega peeneteraline metall tuleb valida sulami optimaalne jahutus kiirus — reziim, lähtudes sellega kaasnevate protsesside eelkirjeldatud iseloomust.