X射線衍射，通過對材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內部原子或分子的結構或形態等信息的研究手段。用于確定晶體結構。其中晶體結構導致入射X射線束衍射到許多特定方向。 通過測量這些衍射光束的角度和強度，晶體學家可以產生晶體內電子密度的三維圖像。 根據該電子密度，可以確定晶體中原子的平均位置，以及它們的化學鍵和各種其他信息。
目前 X射線衍射(包括散射)已經成為研究晶體物質和某些非晶態物質微觀結構的有效方法。在金屬中的主要應用有以下方面:
物相分析 是 X射線衍射在金屬中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把對材料測得的點陣平面間距及衍射強度與標準物相的衍射數據相比較，確定材料中存在的物相;后者則根據衍射花樣的強度，確定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的關系和檢查材料的成分配比及隨后的處理規程是否合理等方面都得到廣泛應用。
精密測定點陣參數 常用于相圖的固態溶解度曲線的測定。溶解度的變化往往引起點陣常數的變化;當達到溶解限后，溶質的繼續增加引起新相的析出，不再引起點陣常數的變化。這個轉折點即為溶解限。另外點陣常數的精密測定可得到單位晶胞原子數，從而確定固溶體類型;還可以計算出密度、膨脹系數等有用的物理常數。
取向分析 包括測定單晶取向和多晶的結構(見擇優取向)。測定硅鋼片的取向就是一例。另外，為研究金屬的范性形變過程，如孿生、滑移、滑移面的轉動等，也與取向的測定有關。
晶粒(嵌鑲塊)大小和微觀應力的測定 由衍射花樣的形狀和強度可計算晶粒和微應力的大小。在形變和熱處理過程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。
宏觀應力的測定 宏觀殘留應力的方向和大小，直接影響機器零件的使用壽命。利用測量點陣平面在不同方向上的間距的變化，可計算出殘留應力的大小和方向。
對晶體結構不完整性的研究 包括對層錯、位錯、原子靜態或動態地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究(見晶體缺陷)。
合金相變 包括脫溶、有序無序轉變、母相新相的晶體學關系，等等。
結構分析 對新發現的合金相進行測定，確定點陣類型、點陣參數、對稱性、原子位置等晶體學數據。
液態金屬和非晶態金屬 研究非晶態金屬和液態金屬結構，如測定近程序參量、配位數等。
特殊狀態下的分析 在高溫、低溫和瞬時的動態分析。
此外，小角度散射用于研究電子濃度不均勻區的形狀和大小,X射線形貌術用于研究近完整晶體中的缺陷如位錯線等，也得到了重視。
物相分析
對于組成元素未知的單組份化合物或者多組分混合物，直接用XRD進行物相分析是存在一定問題的，由于同族的元素具有相似的性質和晶體結構。造成在同位置出現衍射峰，從而不能確定物相。所以對于未知組成的晶態化合物首先要進行元素的定性分析。
