Korngrenzen sind Grenzflächen, an denen sich Kristalle unterschiedlicher Ausrichtung treffen. Eine Korngrenze ist eine einphasige Grenzfläche, wobei die Kristalle auf jeder Seite der Grenze bis auf die Orientierung identisch sind. Der Begriff „Kristallitgrenze“ wird manchmal, wenn auch selten, verwendet. Korngrenzenbereiche enthalten jene Atome, die von ihren ursprünglichen Gitterstellen, Versetzungen und Verunreinigungen gestört wurden, die zur Korngrenze niedrigerer Energie gewandert sind.
Behandeln einer Korngrenze geometrisch als Grenzfläche eines Einkristallschnitts In zwei Teile, von denen einer gedreht wird, sehen wir, dass fünf Variablen erforderlich sind, um eine Korngrenze zu definieren. Die ersten beiden Zahlen stammen aus dem Einheitsvektor, der eine Rotationsachse angibt. Die dritte Zahl bezeichnet den Drehwinkel des Korns. Die letzten beiden Zahlen geben die Ebene der Korngrenze an (oder einen Einheitsvektor, der normal zu dieser Ebene ist).
Korngrenzen stören die Bewegung von Versetzungen durch ein Material. Die Versetzungsausbreitung wird aufgrund des Spannungsfeldes des Korngrenzendefektbereichs und des Fehlens von Gleitebenen und Gleitrichtungen und der Gesamtausrichtung über die Grenzen hinweg behindert. Das Verringern der Korngröße ist daher ein üblicher Weg, um die Festigkeit zu verbessern, oft ohne Einbußen bei der Zähigkeit, da die kleineren Körner mehr Hindernisse pro Flächeneinheit der Gleitebene erzeugen. Diese Kristallitgrößen-Festigkeits-Beziehung ist durch die Hall-Petch-Beziehung gegeben. Die hohe Grenzflächenenergie und die relativ schwache Bindung in den Korngrenzen machen sie zu bevorzugten Orten für den Beginn der Korrosion und für die Ausfällung neuer Phasen aus dem Feststoff. Die Migration der Korngrenzen spielt bei vielen Mechanismen eine wichtige Rolle von Kriechen. Eine Korngrenzenwanderung tritt auf, wenn eine Scherbeanspruchung auf die Korngrenzenebene wirkt und bewirkt, dass die Körner gleiten. Dies bedeutet, dass feinkörnige Materialien tatsächlich eine geringe Kriechbeständigkeit im Vergleich zu gröberen Körnern aufweisen, insbesondere bei hohen Temperaturen, da kleinere Körner mehr Atome an Korngrenzenstellen enthalten. Korngrenzen verursachen auch Verformungen, da sie Quellen und Senken von Punktdefekten sind. Hohlräume in einem Material neigen dazu, sich in einer Korngrenze zu sammeln, und wenn dies in einem kritischen Ausmaß geschieht, kann das Material brechen.
Während der Migration der Korngrenzen hängt der geschwindigkeitsbestimmende Schritt vom Winkel zwischen zwei benachbarten Körnern ab . In einer kleinen Winkelversetzungsgrenze hängt die Migrationsrate von der Diffusion von Leerstellen zwischen Versetzungen ab. Bei einer Versetzungsgrenze mit hohem Winkel hängt dies vom Atomtransport durch Einzelatomsprünge vom Schrumpfen zu den wachsenden Körnern ab. Die Korngrenzen sind im Allgemeinen nur wenige Nanometer breit. In üblichen Materialien sind Kristallite groß genug, dass Korngrenzen einen kleinen Teil des Materials ausmachen. Es sind jedoch sehr kleine Korngrößen erreichbar. In nanokristallinen Festkörpern werden Korngrenzen zu einem signifikanten Volumenanteil des Materials, was tiefgreifende Auswirkungen auf Eigenschaften wie Diffusion und Plastizität hat. In der Grenze kleiner Kristallite hat das Material, wenn sich der Volumenanteil der Korngrenzen 100% nähert, keinen kristallinen Charakter mehr und wird somit zu einem amorphen Feststoff. Korngrenzen sind auch in magnetischen Domänen in vorhanden magnetische Materialien. Eine Computerfestplatte besteht beispielsweise aus einem harten ferromagnetischen Material, das Bereiche von Atomen enthält, deren magnetische Momente durch einen induktiven Kopf neu ausgerichtet werden können. Die Magnetisierung variiert von Region zu Region, und die Fehlausrichtung zwischen diesen Regionen bildet Grenzen, die für die Datenspeicherung von entscheidender Bedeutung sind. Der induktive Kopf misst die Ausrichtung der magnetischen Momente dieser Domänenbereiche und liest entweder eine „1“ oder eine „0“ aus. Diese Bits sind die Daten, die gelesen werden. Die Korngröße ist bei dieser Technologie wichtig, da sie die Anzahl der Bits begrenzt, die auf eine Festplatte passen. Je kleiner die Korngrößen sind, desto mehr Daten können gespeichert werden.
Aufgrund der Gefahren von Korngrenzen in bestimmten Materialien wie Superlegierungs-Turbinenschaufeln wurden große Technologiesprünge unternommen, um den Effekt so gering wie möglich zu halten von Korngrenzen in den Schaufeln. Das Ergebnis war eine gerichtete Erstarrungsverarbeitung, bei der Korngrenzen beseitigt wurden, indem säulenförmige Kornstrukturen erzeugt wurden, die parallel zur Achse der Schaufel ausgerichtet waren, da dies normalerweise die Richtung der maximalen Zugspannung ist, die eine Schaufel während ihrer Drehung in einem Flugzeug empfindet. Die resultierenden Turbinenschaufeln bestanden aus einem einzigen Korn, was die Zuverlässigkeit verbesserte. Im Allgemeinen können Polykristalle nicht überhitzt werden; Sie schmelzen sofort, sobald sie auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht wurden.Dies liegt daran, dass Korngrenzen amorph sind und als Keimbildungspunkte für die flüssige Phase dienen. Wenn im Gegensatz dazu kein fester Kern vorhanden ist, während eine Flüssigkeit abkühlt, neigt sie dazu, unterkühlt zu werden. Da dies für mechanische Materialien unerwünscht ist, ergreifen Legierungsentwickler häufig Maßnahmen dagegen (durch Kornverfeinerung).