Erstarrung bezeichnet den Phasenübergang einer flüssigen Schmelze in den festen Zustand und ist ein zentraler Schritt bei der Herstellung metallischer und keramischer Werkstoffe. Das Erstarrungsverhalten bestimmt maßgeblich die spätere Mikrostruktur und damit mechanische, chemische und funktionale Eigenschaften.

Thermodynamisch wird Erstarrung durch das Unterschreiten der Liquidus- bzw. Solidustemperatur beschrieben. Unter Nichtgleichgewichtsbedingungen (z. B. hohe Abkühlraten) kommt es zu Unterkühlung, Segregation und Abweichungen vom Phasendiagramm. Kinetische Aspekte, insbesondere Keimbildung und Kristallwachstum, kontrollieren die tatsächliche Gefügebildung.

In Legierungen führt die Kopplung von Wärme- und Stofftransport zu komplexen Mikrostrukturen. Dendritische Erstarrung ist dabei der typische Mechanismus: es entstehen dendritische Primärkörner mit interdendritischen Bereichen, in denen sich Legierungselemente anreichern. Die Ausprägung der Dendriten (Armabstände, Morphologie) wird durch Abkühlrate, Temperaturgradient und Erstarrungsgeschwindigkeit bestimmt.

Gerichtete Erstarrung nutzt ein definiertes Temperaturgefälle, um die Wachstumsrichtung und Korngröße gezielt einzustellen, etwa zur Erzeugung säulenkörniger oder einkristalliner Strukturen in Turbinenschaufeln. Rasche bzw. schnelle Erstarrung führt aufgrund extrem hoher Abkühlraten zu starker Unterkühlung, verfeinertem Gefüge bis hin zu amorphen Zuständen und unterdrückter Diffusion (Nichtgleichgewichtserstarrung).

Der Erstarrungsprozess wird heute häufig mittels Erstarrungssimulation numerisch beschrieben, um Temperaturfelder, Phasenverteilung, Schrumpfung und Defektbildung (Porosität, Heißrisse) vorherzusagen. Ein vertieftes Verständnis der Erstarrung ist damit Schlüssel zur Prozessauslegung beim Gießen, Schweißen, Additiven Fertigen und bei Beschichtungsverfahren.