其形成原因是合金凝固过程中，固-液界面上固相成分与液相成分不同，在凝固界面前沿液相中形成溶质（或杂质元素）富集或贫乏区，溶质富集（溶质含量升高，大于初始浓度）或贫乏区中液相凝固温度随固-液界面距离变化而改变。当凝固界面及其前沿一定范围内的液相实际温度低于该成分下平衡凝固温度时，便出现成分过冷现象。

溶质分布系数的合金成分过冷区形成示意图

合金凝固时，如果溶质分配系数小于1（），由于溶质在固相中的溶解度小于在液相中的溶解度，溶质会在固-液界面前沿富集。从固相中排出的多余溶质原子将会聚集在固-液界面前沿的一个边界层中。远离界面处的液相成分（那里还没有受到溶质富集的影响）为，边界层的溶质浓度沿凝固距离从减小到，即：

(1)

式中为生长速度（凝固速率）；为溶质在液相中的扩散系数；为离开凝固界面的距离。

凝固界面前沿的浓度变化将会影响到液相的局部平衡凝固温度（熔体中液相线温度变化）。熔体中液相线温度变化与浓度的关系为：

(2)

式中为液相线斜率；为纯溶剂的熔点。随距凝固前沿距离增加而减小，随距凝固前沿距离的增加而增大。

图为合金成分过冷形成示意。图a为二元固溶体简化相图，其液相线和固相线都为直线，凝固中固相排出的溶质在凝固界面液相前沿形成了溶质富集层（图b），该富集层的液相对应的凝固温度分布曲线为（图c)，而实际凝固条件下液相温度分布为。如果，此时液相线温度分布曲线与实际温度分布曲线之间围成一个区域（阴影区）就是成分过冷区（图d）。理论分析表明，形成成分过冷区的条件为：

(3)

式中为液相温度梯度，式右边可简化为，故成分过冷条件也可写为：

(4)

式中为合金的结晶温度间隔。如此，合金结晶温度间隔越大凝固速率越高或液相温度梯度越小，合金凝固界面前沿出现的成分过冷就越严重，而出现成分过冷的合金凝固界面不稳定。随着成分过冷从无到有以及从小变大，界面生长形态从平界面向胞状界面及树枝状界面演变，相应的凝固组织也从平面晶向胞状晶、柱状枝晶甚至等轴枝晶变化，并最终对合金性能产生影响。