Les limites de grain sont des interfaces où se rencontrent des cristaux d’orientations différentes. Une frontière de grain est une interface monophasée, avec des cristaux de chaque côté de la frontière étant identiques sauf en orientation. Le terme «limite de cristallite» est parfois, bien que rarement, utilisé. Les zones de limite de grain contiennent les atomes qui ont été perturbés par leurs sites de réseau d’origine, les dislocations et les impuretés qui ont migré vers la limite de grain d’énergie inférieure.
Traiter géométriquement une limite de grain comme une interface d’une coupe monocristalline en deux parties, dont l’une est tournée, nous voyons qu’il y a cinq variables nécessaires pour définir une limite de grain. Les deux premiers nombres proviennent du vecteur unitaire qui spécifie un axe de rotation. Le troisième chiffre désigne l’angle de rotation du grain. Les deux derniers nombres spécifient le plan de la limite de grain (ou un vecteur unitaire qui est normal à ce plan).
Les limites de grain perturbent le mouvement des dislocations à travers un matériau. La propagation de dislocation est entravée en raison du champ de contraintes de la région de défaut de limite de grain et du manque de plans de glissement et de directions de glissement et d’alignement global à travers les limites. La réduction de la taille des grains est donc un moyen courant d’améliorer la résistance, souvent sans aucun sacrifice en termes de ténacité car les grains plus petits créent plus d’obstacles par unité de surface du plan de glissement. Cette relation taille-résistance des cristallites est donnée par la relation Hall – Petch. L’énergie interfaciale élevée et la liaison relativement faible dans les joints de grains en font des sites privilégiés pour l’apparition de la corrosion et pour la précipitation de nouvelles phases à partir du solide.
La migration aux limites du grain joue un rôle important dans de nombreux mécanismes de fluage. La migration à la limite du grain se produit lorsqu’une contrainte de cisaillement agit sur le plan de frontière du grain et fait glisser les grains. Cela signifie que les matériaux à grains fins ont en fait une faible résistance au fluage par rapport aux grains plus gros, en particulier à des températures élevées, car les grains plus petits contiennent plus d’atomes dans les sites de limite des grains. Les limites de grain provoquent également des déformations en ce qu’elles sont des sources et des puits de défauts ponctuels. Les vides dans un matériau ont tendance à se rassembler dans une limite de grain, et si cela se produit dans une mesure critique, le matériau pourrait se fracturer.
Lors de la migration de la limite de grain, l’étape de détermination de la vitesse dépend de l’angle entre deux grains adjacents . Dans une limite de dislocation à petit angle, le taux de migration dépend de la diffusion des lacunes entre les dislocations. Dans une limite de dislocation à grand angle, cela dépend du transport de l’atome par des sauts d’atomes uniques du rétrécissement vers les grains en croissance.
Les limites des grains ne font généralement que quelques nanomètres de large. Dans les matériaux courants, les cristallites sont suffisamment grandes pour que les joints de grains représentent une petite fraction du matériau. Cependant, de très petites tailles de grain sont réalisables. Dans les solides nanocristallins, les joints de grains deviennent une fraction volumique importante du matériau, avec des effets profonds sur des propriétés telles que la diffusion et la plasticité. Dans la limite des petits cristallites, lorsque la fraction volumique des joints de grains s’approche de 100%, le matériau cesse d’avoir tout caractère cristallin, et devient ainsi un solide amorphe.
Les joints de grains sont également présents dans les domaines magnétiques dans matériaux magnétiques. Un disque dur d’ordinateur, par exemple, est constitué d’un matériau ferromagnétique dur qui contient des régions d’atomes dont les moments magnétiques peuvent être réalignés par une tête inductive. La magnétisation varie d’une région à l’autre, et le désalignement entre ces régions forme des limites qui sont essentielles au stockage des données. La tête inductive mesure l’orientation des moments magnétiques de ces régions de domaine et lit un « 1 » ou un « 0 ». Ces bits sont les données en cours de lecture. La taille des grains est importante dans cette technologie car elle limite le nombre de bits pouvant tenir sur un disque dur. Plus la granulométrie est petite, plus il y a de données qui peuvent être stockées.
En raison des dangers des joints de grains dans certains matériaux tels que les aubes de turbine en superalliage, de grands progrès technologiques ont été faits pour minimiser autant que possible l’effet des joints de grains dans les lames. Le résultat a été un traitement de solidification directionnelle dans lequel les joints de grains ont été éliminés en produisant des structures de grains colonnaires alignées parallèlement à l’axe de la pale, car il s’agit généralement de la direction de la contrainte de traction maximale ressentie par une pale pendant sa rotation dans un avion. Les aubes de turbine résultantes étaient constituées d’un seul grain, améliorant la fiabilité.
En général, les polycristaux ne peuvent pas être surchauffés; ils fondront rapidement une fois portés à une température suffisamment élevée.En effet, les joints de grains sont amorphes et servent de points de nucléation pour la phase liquide. En revanche, si aucun noyau solide n’est présent lors du refroidissement du liquide, il a tendance à se surfondir. Comme cela n’est pas souhaitable pour les matériaux mécaniques, les concepteurs d’alliages prennent souvent des mesures contre cela (par raffinement du grain).