Los límites de grano son interfaces donde se encuentran cristales de diferentes orientaciones. Un límite de grano es una interfaz monofásica, con cristales en cada lado del límite que son idénticos excepto en la orientación. El término «límite de cristalito» se utiliza a veces, aunque raramente. Las áreas de límite de grano contienen aquellos átomos que han sido perturbados de sus sitios de celosía originales, dislocaciones e impurezas que han migrado al límite de grano de energía más baja.
Tratar un límite de grano geométricamente como una interfaz de un corte monocristalino en dos partes, una de las cuales se rota, vemos que hay cinco variables necesarias para definir un límite de grano. Los dos primeros números provienen del vector unitario que especifica un eje de rotación. El tercer número designa el ángulo de rotación del grano. Los dos últimos números especifican el plano del límite del grano (o un vector unitario que es normal a este plano).
Los límites del grano interrumpen el movimiento de las dislocaciones a través de un material. La propagación de la dislocación está impedida debido al campo de tensión de la región del defecto del límite de grano y la falta de planos de deslizamiento y direcciones de deslizamiento y alineación general a través de los límites. Por lo tanto, reducir el tamaño del grano es una forma común de mejorar la resistencia, a menudo sin sacrificar la tenacidad porque los granos más pequeños crean más obstáculos por unidad de área del plano de deslizamiento. Esta relación tamaño-fuerza de los cristalitos viene dada por la relación Hall-Petch. La alta energía interfacial y la unión relativamente débil en los límites de los granos los convierte en sitios preferidos para el inicio de la corrosión y para la precipitación de nuevas fases del sólido.
La migración de los límites del grano juega un papel importante en muchos de los mecanismos. de fluencia. La migración de los límites del grano se produce cuando un esfuerzo cortante actúa sobre el plano del límite del grano y hace que los granos se deslicen. Esto significa que los materiales de grano fino en realidad tienen poca resistencia a la fluencia en comparación con los granos más gruesos, especialmente a altas temperaturas, porque los granos más pequeños contienen más átomos en los sitios de los límites de los granos. Los límites de grano también provocan deformaciones, ya que son fuentes y sumideros de defectos puntuales. Los huecos en un material tienden a acumularse en un límite de grano y, si esto sucede en un grado crítico, el material podría fracturarse.
Durante la migración del límite de grano, el paso que determina la velocidad depende del ángulo entre dos granos adyacentes. . En un límite de dislocación de ángulo pequeño, la tasa de migración depende de la difusión de la vacante entre las dislocaciones. En un límite de dislocación de ángulo alto, esto depende del transporte del átomo mediante saltos de un solo átomo desde los granos que se encogen hasta los que crecen.
Los límites de los granos generalmente tienen solo unos pocos nanómetros de ancho. En materiales comunes, los cristalitos son lo suficientemente grandes como para que los límites de grano representen una pequeña fracción del material. Sin embargo, se pueden conseguir tamaños de grano muy pequeños. En los sólidos nanocristalinos, los límites de los granos se convierten en una fracción de volumen significativa del material, con efectos profundos en propiedades como la difusión y la plasticidad. En el límite de los pequeños cristalitos, cuando la fracción de volumen de los límites de los granos se acerca al 100%, el material deja de tener carácter cristalino y, por lo tanto, se convierte en un sólido amorfo.
Los límites de los granos también están presentes en los dominios magnéticos en materiales magnéticos. Un disco duro de computadora, por ejemplo, está hecho de un material ferromagnético duro que contiene regiones de átomos cuyos momentos magnéticos pueden ser realineados por una cabeza inductiva. La magnetización varía de una región a otra, y la desalineación entre estas regiones forma límites que son clave para el almacenamiento de datos. El cabezal inductivo mide la orientación de los momentos magnéticos de estas regiones de dominio y lee un «1» o un «0». Estos bits son los datos que se leen. El tamaño del grano es importante en esta tecnología porque limita la cantidad de bits que pueden caber en un disco duro. Cuanto más pequeños sean los tamaños de grano, más datos se pueden almacenar.
Debido a los peligros de los límites de grano en ciertos materiales como las palas de las turbinas de superaleación, se realizaron grandes avances tecnológicos para minimizar al máximo el efecto de límites de grano en las cuchillas. El resultado fue un procesamiento de solidificación direccional en el que se eliminaron los límites de grano al producir estructuras de grano columnares alineadas paralelas al eje de la pala, ya que esta suele ser la dirección de tensión máxima de tracción que siente una pala durante su rotación en un avión. Las palas de la turbina resultantes eran de un solo grano, lo que mejoraba la confiabilidad.
Generalmente, los policristales no se pueden sobrecalentar; se derretirán rápidamente una vez que alcancen una temperatura lo suficientemente alta.Esto se debe a que los límites de los granos son amorfos y sirven como puntos de nucleación para la fase líquida. Por el contrario, si no hay un núcleo sólido cuando un líquido se enfría, tiende a sobreenfriarse. Dado que esto no es deseable para los materiales mecánicos, los diseñadores de aleaciones a menudo toman medidas en su contra (refinando el grano).