В настоящее время установлен ряд особенностей неравновесной кристаллизации, приводящих, в конечном счете, к большему или меньшему отклонению структуры сплава от равновесного состояния. Равновесная кристаллизация сплавов протекает при наличии диффузионных перемещений атомов. Быстрое охлаждение сплавов при их затвердевании, замедляющее диффузионные процессы, является основным источником образования неравновесных состояний.
Принципиально можно представить, что при очень быстром охлаждении сплавов характерном для каждого из них будут подавлены диффузионные процессы, в результате чего образуется однородный по всему объему металл с аморфной или кристаллической структурой. Аморфные металлы, образовавшиеся в процессе кристаллизации, пока получить не удалось; такое состояние относительно легко образуется при быстром охлаждений стеклообразных веществ переохлажденные жидкости. Возможность без диффузионной кристаллизации сплавов была доказана на примере чугунов, быстроохлажденных в тонких слоях между стенками теплопроводных металлов.
Такой чугун, обычно состоящий из трех фаз — феррита, цементита и графита, после быстрого охлаждения при затвердевании и в твердом состоянии представляет собой однородный пересыщенный аустенит. Легкие сплавы на основе алюминия, магния и титана пока не удалось переохладить бездиффузионным способом, но в процессе кристаллизации ряда сплавов удается затормозить диффузионные процессы и получить твердые растворы, насыщенные легирующими элементами в концентрациях значительно больших, чем при равновесных условиях.
Такое пересыщение твердых растворов легче всего может быть достигнуто в сплавах с узким интервалом кристаллизации, так как при этом слабо проявляются относительно быстро протекающие диффузионные процессы между твердой и жидкой фазами. Наиболее подробно такое пересыщение изучено в сплавах алюминия с марганцем. Предельная растворимость марганца в алюминии равна 1,95%, тогда как при быстром охлаждении сплавов из жидкого состояния в твердом растворе удалось зафиксировать до 9,2% Мп.