Limites de grão são interfaces onde cristais de diferentes orientações se encontram. Um limite de grão é uma interface monofásica, com cristais em cada lado do limite sendo idênticos, exceto na orientação. O termo “limite de cristalito” é algumas vezes, embora raramente, usado. As áreas de limite de grão contêm os átomos que foram perturbados de seus locais de rede originais, deslocamentos e impurezas que migraram para o limite de grão de energia inferior.
Tratar um limite de grão geometricamente como uma interface de um único corte de cristal em duas partes, uma das quais é girada, vemos que existem cinco variáveis necessárias para definir um limite de grão. Os primeiros dois números vêm do vetor de unidade que especifica um eixo de rotação. O terceiro número designa o ângulo de rotação do grão. Os dois números finais especificam o plano do contorno do grão (ou um vetor unitário que é normal a este plano).
Os limites do grão interrompem o movimento dos deslocamentos através de um material. A propagação do deslocamento é impedida por causa do campo de tensão da região do defeito do contorno do grão e a falta de planos de deslizamento e direções de deslizamento e alinhamento geral através dos limites. Reduzir o tamanho do grão é, portanto, uma maneira comum de melhorar a resistência, muitas vezes sem nenhum sacrifício na resistência porque os grãos menores criam mais obstáculos por unidade de área do plano de deslizamento. Essa relação tamanho-força do cristalito é dada pela relação de Hall-Petch. A alta energia interfacial e ligação relativamente fraca nos contornos dos grãos torna-os locais preferidos para o início da corrosão e para a precipitação de novas fases a partir do sólido.
A migração dos contornos dos grãos desempenha um papel importante em muitos dos mecanismos de fluência. A migração do contorno do grão ocorre quando uma tensão de cisalhamento atua no plano do contorno do grão e faz com que os grãos deslizem. Isso significa que os materiais de granulação fina têm, na verdade, uma baixa resistência à fluência em relação aos grãos mais grossos, especialmente em altas temperaturas, porque os grãos menores contêm mais átomos nos locais dos limites dos grãos. Os limites dos grãos também causam deformação, pois são fontes e sumidouros de defeitos pontuais. Os vazios em um material tendem a se acumular em um limite de grão e, se isso acontecer de forma crítica, o material pode se fraturar.
Durante a migração do limite de grão, a etapa de determinação da taxa depende do ângulo entre dois grãos adjacentes . Em um limite de deslocamento de pequeno ângulo, a taxa de migração depende da difusão de vacância entre os deslocamentos. Em um limite de deslocamento de alto ângulo, isso depende do transporte do átomo por saltos de um átomo desde o encolhimento para os grãos em crescimento.
Os limites dos grãos geralmente têm apenas alguns nanômetros de largura. Em materiais comuns, os cristalitos são grandes o suficiente para que os limites dos grãos representem uma pequena fração do material. No entanto, tamanhos de grãos muito pequenos são alcançáveis. Em sólidos nanocristalinos, os limites dos grãos tornam-se uma fração de volume significativa do material, com efeitos profundos em propriedades como difusão e plasticidade. No limite de pequenos cristalitos, à medida que a fração de volume dos limites dos grãos se aproxima de 100%, o material deixa de ter qualquer caráter cristalino e, portanto, torna-se um sólido amorfo.
Os limites dos grãos também estão presentes em domínios magnéticos em materiais magnéticos. Um disco rígido de computador, por exemplo, é feito de um material ferromagnético rígido que contém regiões de átomos cujos momentos magnéticos podem ser realinhados por uma cabeça indutiva. A magnetização varia de região para região, e o desalinhamento entre essas regiões forma limites que são fundamentais para o armazenamento de dados. A cabeça indutiva mede a orientação dos momentos magnéticos dessas regiões de domínio e lê “1” ou “0”. Esses bits são os dados que estão sendo lidos. O tamanho do grão é importante nesta tecnologia porque limita o número de bits que cabem em um disco rígido. Quanto menores os tamanhos dos grãos, mais dados podem ser armazenados.
Por causa dos perigos dos limites dos grãos em certos materiais, como as lâminas das turbinas de superligas, grandes saltos tecnológicos foram feitos para minimizar ao máximo o efeito de limites de grãos nas lâminas. O resultado foi o processamento de solidificação direcional em que os contornos dos grãos foram eliminados pela produção de estruturas de grãos colunares alinhadas paralelamente ao eixo da lâmina, uma vez que esta é geralmente a direção da tensão de tração máxima sentida por uma lâmina durante sua rotação em um avião. As lâminas da turbina resultantes consistiam em um único grão, aumentando a confiabilidade.
Geralmente, os policristais não podem ser superaquecidos; eles derreterão imediatamente quando forem levados a uma temperatura alta o suficiente.Isso ocorre porque os limites dos grãos são amorfos e servem como pontos de nucleação para a fase líquida. Em contraste, se nenhum núcleo sólido estiver presente quando o líquido esfria, ele tende a se tornar super-resfriado. Como isso é indesejável para materiais mecânicos, os projetistas de ligas costumam tomar medidas contra isso (refinando o grão).