金属结晶必须具备一定的条件，否则不能进行。
热力学条件。液态金属冷却至理论结晶温度时并没有马上开始结晶，而是要继续冷却至理论结晶温度下某一温度才能结晶，也就是说需要一定的过冷度。这是什么原因呢？
这是热力学条件决定的。我们从热力学第二定律知道，等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。
由此可知，液态金属能否结晶，取决于固态的自由能是否低于液态的自由能。金属结晶的驱动力，是液相金属与固相金属的自由能差。
由热力学知识可知，金属的状态不同，自由能也不一样。
状态的吉布斯自由能公式：G=H-TS=U+pV-TS
式中，H为焓，S为熵，T为热力学温度，U为内能，p为压力，V为体积。
G的全微分为：dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT
根据热力学第一定律，dU=TdS-pdV，代入上式得
dG=Vdp-SdT，常压下，dp=0，则
dG=-SdT，又可写成dG/dT=-S。
熵是表示系统中原子排列混乱程度的物理量。温度升高，原子排列的混乱程度会增加，也就是熵值增加。系统的自由能随温度的升高而降低。
图1是纯金属的液、固两相自由能随温度变化的示意图。
图 1
从图中可见，液相和固相的自由能都是随温度的升高而下降，但液相下降得更快，它们的变化曲线相交于Tm温度，即理论结晶温度。
在Tm温度时，固液两相共存，处于热力学平衡状态，这就是理论结晶温度。当温度低于理论结晶温度时，固态金属的自由能低于液态金属的自由能，液态金属可以自发地结晶形成固体。
如果温度高于Tm时，液态金属的自由能低于固态金属的自由能，固态金属就会自发地熔化成液态。
从上面的分析可知，液态金属要结晶，温度必须低于理论结晶温度，这时固态金属的自由能低于液态金属的自由能，它们的自由能差是金属结晶的驱动力。
可以推导出，液态向固态转变时，单位体积ΔGv与过冷度ΔT的关系为
ΔGv=-ΔH（ΔT/Tm）
可见，要想结晶过程获得所需的驱动力，必须有一定的过冷度，且过冷度越大，结晶速度越快。
结构条件。我们知道，金属的结晶是一个形核和长大的过程，晶核则是由晶胚形成的。
液态金属凝固成固态，体积变化不大，说明液态金属与固态金属的结构类似，原子间距差别不大。
图 2
液态金属的结构示意图见图2。在液态金属中，在小范围内存在紧密的有规则排列的原子集团，称为短程有序，不过从大范围来看，原子是无序排列的。
在晶体中，在大范围内，原子的排列都是规则的、有序的，称为长程有序。
由于液态金属中，原子的运动比较激烈，短程有序排列的原子集团是动态变化的，这种短程有序，存在的时间短，但形成和消失每时每刻都在同时进行。上述变化着的短程有序的原子集团称为结构起伏，或者称为相起伏。
相起伏的最大尺寸受温度影响极大，温度越高，最大相起伏的尺寸越小，温度越低，相起伏的最大相起伏尺寸越大。
如果液态金属温度低于理论结晶温度，液态金属中较大的相起伏才可能转变为晶核，这种尺寸较大的相起伏就是晶胚。
事实上，并不是所有的的晶胚可以转变为晶核，要成为晶核，也需要具备一定的条件，后面将会对此进行讨论。
