Hemen hemen tüm metal ve alaşımları, bazı seramik ve polimer malzemeler üretimlerinin bir aşamasında sıvıdır. Sıvı, katılaşma sıcaklığının altına soğutulduğunda katılaşır. Malzeme katılaşmış durumda iken veya ısıl işlem ve mekanik işlemler uygulanmış halde kullanılabilir.
Katılaşma süreci içerisinde ortaya çıkan yapı, mekanik özellikleri etkiler ve istenilen özellikleri elde etmek için başka işlemlere de ihtiyaç duyulabilir. Özellikle, tane boyutu ve şekli katılaşma ile kontrol edilebilir.
Katılaşma, döküm gibi temel pratik uygulama alanına sahip en ekonomik şekil verme metodu olmasından dolayı çok önem taşımaktadır. Katılarda dövme ve benzer işlemlerde şekil verebilmek amacıyla uygulanan yüksek kuvvet ve gerilimlere nazaran sıvı metalin hemen hemen sıfır kayma kuvveti ve oldukça düşük viskozite özelliğine sahip olması ergitmeyi daha uygun kılmaktadır. Eğer dökümün özelliklerini kontrol edebilmek daha kolay olabilseydi, katılaşma da çok daha önemli bir proses olacaktı. Bu sebeplerden ötürü, katılaşmada mikroyapının temeli ve kontrolü, döküm kalitesini artırmada büyük önem taşımaktadır
Metal ve alaşım malzemelerin kullanım özellikleri büyük ölçüde katılaşma sırasında oluşan iç yapı ile belirlenir. Dolayısıyla, özellikle döküm malzemelerin özelliklerinin kontrol edilebilmesi için katılaşma olayının iyi bilinmesi gerekir.Sıvı metal içindeki atomlar düzensiz halde olup, sürekli olarak hareket ederler.Soğuma sırasında katılaşma sıcaklığına inildiğinde,ergiyik içinde kristalleşme merkezi veya çekirdekler oluşmaya başlar (şekil a).
Çekirdekler büyüyerek taneleri oluşturur (şekil b ve c).
Katılaşmada ergimenin tersi bir davranış gözlenir. Katılaşma sıcaklığına ulaşılmasıyla birlikte atomlar yeniden eski konumlarına ve salınan düzenli kafes yapılarına geri dönerler. Bu arada açığa çıkan dönüşüm ısısı katılaşma ısısı adını alır ve bu ısı ergime için harcanan ısıya eşittir. Burada da ısıl eğride yine duraklama görülür.
Katılaşma, tane çekirdekleri, çekirdekçik adı verilen çok küçük taneciklerden başlar. Tane büyümesi bu çekirdekler etrafında gerçekleşir. Sıvı metal içerisinde istenmeden önceden var olan ya da istenerek sıvıya katılan yabancı atom ve moleküller çekirdekçik görevi üstlenebilirler. Buna örnek olarak kendiliğinden çelik bünyesinde bulunan alümina (Al2O3)ve aşılamak amacıyla ergiyiğe istenerek katılan Ti ve Ce elementleri gösterilebilir. Çok saf olan ergiyiklerde bile çekirdekçik oluşumu vardır. Soğutma esnasında sıcaklık, katılaşma noktasına ne kadar yaklaşırsa ve atomların ergiyik içerisindeki hareket hızları ne kadar azalırsa, buna bağlı olarak bazı atomlar hemen kristal kafesi oluşturmak üzere grup halinde bir araya gelirler. Ancak bu atomların durumlarını koruyabilmeleri ve tane çekirdeklerine dönüşebilmeleri için sıvı ortamdan ısının çekilmesi ve ortamla çevre arasında sıcaklık gradyanının bulunması gerekir.
Tanelerin büyümesi sırasında yapıda bulunan ve kafese kabul edilmeyen kirletici elemanlar (inklüzyonlar) tane sınırlarına itilirler ve burada tane sınırı yapısını oluştururlar. Taneler birbirlerine temas edecek duruma gelinceye kadar büyürler. Oluşan tane sınırları oldukça düzensizdir. Tanelerin özellikleri üzerinde, tane sınırlarından çok onların atom dizilişleri rol oynar.
Katılaşma sırasında atomik diziliş, en düzenli kısa mesafeli düzenden uzun mesafeli düzene veya kristal yapıya kadar değişir. Katılaşma iki aşamadan meydana gelir. Bunlar; çekirdeklenme ve büyümedir. Çekirdeklenme, küçük katı parçacıklarının sıvıdan embriyolaşması ile olur. Çekirdek kararlı olmadan önce minimum kritik çapa gelmelidir. Katının büyümesi, atomların sıvıdan oluşan çekirdeklere geçmeleri ile olur ve bu şekildeki büyüme sıvı bitene kadar devam eder. Sıvı, katılaşma sıcaklığının altına soğutulduğu zaman bir malzemenin katılaşması beklenir. Çünkü katının kristal yapısı ile ilgili enerjisi; sıvının enerjisinden daha azdır. Sıcaklık katılaşma noktasından daha da aşağıya düştüğünde, giderek büyüyen enerji farkı katıyı daha dengeli (kararlı) hale getirir. Katı ve sıvının arasındaki bu enerji farkı serbest hacim enerjisidir (ΔFv).
Ancak pratikte katılaşma çok büyük bir genelde başka şekilde oluşur Dışarıya atılan ısı, sıvıda homojen bir sıcaklık oluşturmaz. Dolayısıyla katılaşma sıvının soğuk bölgelerine doğru ilerleyerek katı iğnecikler oluşturur.Sonunda çam dalına benzeyen katılar oluşur ki buna dendrit adı verilir.
Dendritler büyüdükçe aradaki sıvı, açığa çıkan ısının artması dolayısıyla çok çabuk soğuyamayacağından katılaşma hızı azalır.
Bu sırada dendritler büyümüş ve birbirleri ile temas haline gelmişlerdir.
Her bir dendrit farklı yönlerde büyüdüğünden, temas yerlerinde katılaşma tamamlandığında tane sınırları oluşur .İrileşmiş dendritlerin arasındaki dendrit boşluklarını doldurarak sonuçta taneler oluşur.
