I confini di grano sono interfacce in cui si incontrano cristalli di diversi orientamenti. Un confine di grano è un’interfaccia monofase, con cristalli su ciascun lato del confine che sono identici tranne che nell’orientamento. Il termine “confine cristallite” è talvolta, anche se raramente, utilizzato. Le aree di confine del grano contengono quegli atomi che sono stati perturbati dai loro siti reticolari originali, dislocazioni e impurità che sono migrate al confine del grano di energia inferiore.
Trattare un confine del grano geometricamente come un’interfaccia di un singolo cristallo tagliato in due parti, di cui una ruotata, vediamo che sono necessarie cinque variabili per definire un bordo di grano. I primi due numeri provengono dal vettore unitario che specifica un asse di rotazione. Il terzo numero indica l’angolo di rotazione del grano. Gli ultimi due numeri specificano il piano del bordo del grano (o un vettore unitario normale a questo piano).
I bordi del grano interrompono il movimento delle dislocazioni attraverso un materiale. La propagazione della dislocazione è impedita a causa del campo di sollecitazione della regione del difetto al bordo del grano e della mancanza di piani di scorrimento, direzioni di scorrimento e allineamento generale attraverso i confini. La riduzione della granulometria è quindi un modo comune per migliorare la resistenza, spesso senza alcun sacrificio in termini di tenacità perché i grani più piccoli creano più ostacoli per unità di superficie di slittamento. Questa relazione dimensione cristallina-forza è data dalla relazione Hall-Petch. L’elevata energia interfacciale e il legame relativamente debole nei bordi dei grani li rendono siti preferiti per l’inizio della corrosione e per la precipitazione di nuove fasi dal solido.
La migrazione dei bordi dei grani gioca un ruolo importante in molti dei meccanismi di creep. La migrazione del bordo del grano si verifica quando una sollecitazione di taglio agisce sul piano del bordo del grano e fa scivolare i grani. Ciò significa che i materiali a grana fine hanno effettivamente una scarsa resistenza allo scorrimento rispetto ai grani più grossolani, specialmente ad alte temperature, perché i grani più piccoli contengono più atomi nei siti di confine dei grani. Anche i bordi di grano causano deformazione in quanto sono fonti e pozzi di difetti puntiformi. I vuoti in un materiale tendono a raccogliersi in un bordo di grano e, se ciò accade in misura critica, il materiale potrebbe fratturarsi.
Durante la migrazione del bordo di grano, il passo che determina la velocità dipende dall’angolo tra due grani adiacenti . In un confine di dislocazione di piccolo angolo, il tasso di migrazione dipende dalla diffusione della vacanza tra le dislocazioni. In un confine di dislocazione ad alto angolo, questo dipende dal trasporto degli atomi da parte dei salti di un singolo atomo dal restringimento alla crescita dei grani.
I confini dei grani sono generalmente larghi solo pochi nanometri. Nei materiali comuni, i cristalliti sono abbastanza grandi che i bordi dei grani rappresentano una piccola frazione del materiale. Tuttavia, è possibile ottenere granulometrie molto piccole. Nei solidi nanocristallini, i bordi dei grani diventano una frazione di volume significativa del materiale, con effetti profondi su proprietà come la diffusione e la plasticità. Nel limite dei piccoli cristalliti, quando la frazione in volume dei bordi dei grani si avvicina al 100%, il materiale cessa di avere qualsiasi carattere cristallino e quindi diventa un solido amorfo.
I bordi dei grani sono presenti anche nei domini magnetici in materiali magnetici. Un disco rigido di un computer, ad esempio, è costituito da un materiale ferromagnetico duro che contiene regioni di atomi i cui momenti magnetici possono essere riallineati da una testa induttiva. La magnetizzazione varia da regione a regione e il disallineamento tra queste regioni forma i confini che sono fondamentali per l’archiviazione dei dati. La testa induttiva misura l’orientamento dei momenti magnetici di queste regioni di dominio e legge uno “1” o uno “0”. Questi bit sono i dati letti. La dimensione dei grani è importante in questa tecnologia perché limita il numero di bit che possono stare su un disco rigido. Più piccole sono le dimensioni dei grani, più dati possono essere memorizzati.
A causa dei pericoli dei bordi dei grani in alcuni materiali come le pale delle turbine in superlega, sono stati fatti grandi balzi tecnologici per ridurre al minimo il più possibile l’effetto dei bordi di grano nelle lame. Il risultato è stato un processo di solidificazione direzionale in cui i confini dei grani sono stati eliminati producendo strutture a grani colonnari allineati parallelamente all’asse della pala, poiché questa è solitamente la direzione della massima sollecitazione di trazione avvertita da una pala durante la sua rotazione in un aeroplano. Le pale della turbina risultanti erano costituite da un unico grano, migliorando l’affidabilità.
In generale, i policristalli non possono essere surriscaldati; si scioglieranno prontamente una volta portate a una temperatura sufficientemente alta.Questo perché i bordi dei grani sono amorfi e servono come punti di nucleazione per la fase liquida. Al contrario, se non è presente alcun nucleo solido mentre un liquido si raffredda, tende a diventare super raffreddato. Poiché ciò non è desiderabile per i materiali meccanici, i progettisti di leghe spesso prendono provvedimenti contro di esso (per affinamento del grano).