Các nhà luyện kim nghiên cứu các cơ chế vĩ mô và vi mô để giải thích các hành vi của kim loại và hợp kim, từ đó tìm ra các phương pháp luyện kim hiệu quả nhất:

• Vĩ mô: Các nghiên cứu trên mức độ vĩ mô có thể tập trung vào các tính chất tinh thể học; như ảnh hưởng của nhiệt độ và xử lý nhiệt đến pha thành phần của hợp kim, như điểm cùng tinh và tính chất của những pha hợp kim này. Tính chất vĩ mô của kim loại được kiểm tra bằng sử dụng các máy và thiết bị đo độ bền kéo, độ bền nén và độ cứng.
• Vi mô: Các cơ chế vi mô bao gồm sự thay đổi xuất hiện ở mức nguyên tử có ảnh hưởng đến tính chất vĩ mô của kim loại (hoặc hợp kim). Ví dụ về công cụ để khảo sát vi mô của kim loại là hiển vi quang học và hiển vi điện tử, và phương pháp phổ khối.