Hranice zrna jsou rozhraní, kde se setkávají krystaly různých orientací. Hranice zrna je jednofázové rozhraní, přičemž krystaly na každé straně hranice jsou identické, kromě orientace. Termín „hranice krystalitu“ se někdy používá, i když jen zřídka. Okrajové oblasti zrn obsahují ty atomy, které byly narušeny z jejich původních mřížových míst, dislokací a nečistot, které migrovaly na hranici zrn s nižší energií.
Geometrické zacházení s hranicí zrn jako s rozhraním řezu jediného krystalu do dvou částí, z nichž jedna je otočená, vidíme, že k definování hranice zrna je zapotřebí pět proměnných. První dvě čísla pocházejí z jednotkového vektoru, který určuje osu otáčení. Třetí číslo označuje úhel otáčení zrna. Poslední dvě čísla určují rovinu hranice zrn (nebo jednotkový vektor, který je k této rovině kolmý).
Hranice zrn narušují pohyb dislokací přes materiál. Šíření dislokace je bráněno kvůli napěťovému poli oblasti defektu hranice zrn a nedostatku kluzných rovin a směrů skluzu a celkovému zarovnání přes hranice. Snížení velikosti zrna je proto běžným způsobem, jak zlepšit pevnost, často bez obětování houževnatosti, protože menší zrna vytvářejí více překážek na jednotku plochy kluzné roviny. Tento vztah velikosti a síly krystalitu je dán vztahem Hall-Petch. Vysoká povrchová energie a relativně slabá vazba na hranicích zrn z nich činí preferovaná místa pro nástup koroze a pro srážení nových fází z pevné látky.
Migrace hranic zrn hraje důležitou roli v mnoha mechanismech plíživé. K migraci hranic zrn dochází, když smykové napětí působí na hraniční rovinu zrna a způsobí sklouznutí zrn. To znamená, že jemnozrnné materiály mají ve skutečnosti špatnou odolnost proti tečení ve srovnání s hrubšími zrny, zejména při vysokých teplotách, protože menší zrna obsahují více atomů na hraničních místech zrn. Hranice zrn také způsobují deformaci v tom, že jsou zdroji a výlevkami bodových defektů. Prázdné prostory v materiálu mají tendenci se shromažďovat na hranici zrn, a pokud k tomu dojde v kritickém rozsahu, materiál by se mohl zlomit.
Během migrace hranice zrn závisí krok určování rychlosti na úhlu mezi dvěma sousedními zrnami . Na malém úhlu dislokační hranice závisí rychlost migrace na difuzi volného místa mezi dislokacemi. Na hranici dislokace vysokého úhlu to závisí na transportu atomů skoky jednoho atomu ze smršťování na rostoucí zrna.
Hranice zrna jsou obecně široké jen několik nanometrů. V běžných materiálech jsou krystaly dostatečně velké, že hranice zrn tvoří malou část materiálu. Lze však dosáhnout velmi malých velikostí zrn. V nanokrystalických pevných látkách se hranice zrn stávají významným objemovým zlomkem materiálu s hlubokými účinky na takové vlastnosti, jako je difúze a plasticita. V limitu malých krystalitů, protože objemový zlomek hranic zrn se blíží 100%, materiál přestává mít jakýkoli krystalický charakter, a stává se tak amorfní pevnou látkou.
Hranice zrn jsou také přítomny v magnetických doménách v magnetické materiály. Počítačový pevný disk je například vyroben z tvrdého feromagnetického materiálu, který obsahuje oblasti atomů, jejichž magnetické momenty lze pomocí indukční hlavy vyrovnat. Magnetizace se liší od oblasti k oblasti a nesouosost mezi těmito oblastmi tvoří hranice, které jsou klíčem k ukládání dat. Indukční hlava měří orientaci magnetických momentů těchto oblastí domény a čte buď „1“ nebo „0“. Tyto bity jsou data, která se čtou. Velikost zrna je v této technologii důležitá, protože omezuje počet bitů, které se vejdou na jeden pevný disk. Čím menší jsou velikosti zrn, tím více dat lze uložit.
Kvůli nebezpečí hranic zrn v určitých materiálech, jako jsou lopatky turbín ze slitiny superlitiny, byly učiněny velké technologické skoky, aby se účinek co nejvíce minimalizoval hranic zrn v lopatkách. Výsledkem bylo směrové zpracování tuhnutí, při kterém byly hranice zrn eliminovány vytvořením sloupcových struktur zrn zarovnaných rovnoběžně s osou lopatky, protože to je obvykle směr maximálního tahového napětí, které pociťuje lopatka během její rotace v letadle. Výsledné lopatky turbíny sestávaly z jediného zrna, což zlepšilo spolehlivost.
Polykrystaly obecně nelze přehřát; jakmile se dostanou na dostatečně vysokou teplotu, okamžitě se roztaví.Je to proto, že hranice zrn jsou amorfní a slouží jako nukleační body pro kapalnou fázi. Naproti tomu, pokud při ochlazování kapaliny není přítomno žádné pevné jádro, má sklon k podchlazení. Jelikož je to pro mechanické materiály nežádoucí, návrháři slitin proti tomu často podnikají kroky (zjemněním zrna).