粒界は、さまざまな方向の結晶が出会う境界面です。粒界は単相界面であり、境界の両側の結晶は配向を除いて同一です。 「結晶子境界」という用語は、まれではありますが、使用されることがあります。粒界領域には、元の格子サイトから摂動された原子、転位、および低エネルギーの粒界に移動した不純物が含まれます。
単結晶カットの界面として粒界を幾何学的に扱う2つの部分に分けられ、そのうちの1つが回転しているので、粒界を定義するために必要な5つの変数があることがわかります。最初の2つの数値は、回転軸を指定する単位ベクトルから取得されます。 3番目の数字は、穀物の回転角を示します。最後の2つの数値は、粒界の平面（またはこの平面に垂直な単位ベクトル）を指定します。
粒界は、材料を通過する転位の運動を妨害します。粒界欠陥領域の応力場とすべり面とすべり方向の欠如、および境界を越えた全体的な整列のために、転位の伝播が妨げられます。したがって、粒子サイズを小さくすることは、強度を向上させるための一般的な方法です。粒子が小さいほど、すべり面の単位面積あたりの障害物が増えるため、靭性を犠牲にすることはありません。この結晶子のサイズと強度の関係は、ホールとペッチの関係によって与えられます。粒界の高い界面エネルギーと比較的弱い結合により、腐食の開始や固体からの新しい相の析出に適した場所になります。
粒界の移動は、多くのメカニズムで重要な役割を果たします。クリープの。粒界移動は、せん断応力が粒界面に作用し、粒がスライドするときに発生します。これは、特に高温では、細粒材料は粗粒に比べてクリープに対する耐性が低く、粒界サイトに含まれる原子の数が少ないことを意味します。粒界はまた、それらが点欠陥のソースおよびシンクであるという点で変形を引き起こします。材料のボイドは粒界に集まる傾向があり、これが重大な程度に発生すると、材料が破損する可能性があります。
粒界の移動中、律速段階は2つの隣接する粒の間の角度に依存します。 。小角度の転位境界では、移動速度は転位間の空孔拡散に依存します。高角度の転位境界では、これは、収縮する粒子から成長する粒子への単一原子ジャンプによる原子輸送に依存します。
結晶粒界は、通常、幅がわずか数ナノメートルです。一般的な材料では、結晶子は十分に大きいため、粒界が材料のごく一部を占めます。ただし、非常に小さな粒子サイズを実現できます。ナノ結晶固体では、粒界が材料のかなりの体積分率になり、拡散や可塑性などの特性に大きな影響を及ぼします。小さな結晶子の限界では、粒界の体積分率が100％に近づくと、材料は結晶特性を持たなくなり、アモルファス固体になります。
粒界は磁区にも存在します。磁性材料。たとえば、コンピュータのハードディスクは、誘導性ヘッドによって磁気モーメントを再調整できる原子の領域を含む硬質強磁性材料でできています。磁化は領域ごとに異なり、これらの領域間の不整合は、データストレージの鍵となる境界を形成します。誘導ヘッドは、これらのドメイン領域の磁気モーメントの方向を測定し、「1」または「0」のいずれかを読み取ります。これらのビットは、読み取られるデータです。粒子サイズは、1つのハードディスクに収まるビット数を制限するため、このテクノロジでは重要です。粒子サイズが小さいほど、より多くのデータを保存できます。
超合金タービンブレードなどの特定の材料では粒界の危険性があるため、影響を最小限に抑えるために大きな技術的飛躍が行われました。ブレードの粒界の。その結果、方向性凝固処理が行われ、ブレードの軸に平行に整列した柱状結晶粒構造が生成されました。これは通常、飛行機内でのブレードの回転中にブレードが感じる最大引張応力の方向であるためです。得られたタービンブレードは単一の粒子で構成され、信頼性が向上しました。
一般に、多結晶は過熱できません。それらが十分に高い温度にされると、それらはすぐに溶けます。これは、粒界がアモルファスであり、液相の核生成点として機能するためです。 対照的に、液体が冷えるときに固体核が存在しない場合、液体は過冷却になる傾向があります。 これは機械的材料にとって望ましくないため、合金設計者はしばしばそれに対して（粒子の微細化によって）対策を講じます。