Qu'est-ce qu'une limite de grain?
Lorsque l'extérieur d'un matériau solide est poli, puis attaqué à l'acide, on peut voir des lignes à sa surface à l'aide d'un microscope optique. Ces lignes sont les limites des grains, ou les lignes qui marquent le bord extérieur des grains, des formes semblables à des cristaux qui se forment lorsqu’un matériau se refroidit d’un liquide à l’autre. Les solides qui ne forment pas de grains sont appelés amorphes, car les atomes qui les composent ne s'organisent pas en motifs comme ils le sont dans les solides cristallins.
Les grains des matériaux cristallins se forment de la même manière que les cristaux de flocon de neige lorsque l’eau gèle. Avant qu'un liquide ne gèle, certains endroits à l'intérieur sont plus froids que le reste du liquide. Le grain pousse de ces sites vers l'extérieur jusqu'à atteindre un autre grain et s'arrête. Lorsque tout le liquide entre les grains poussant l'un vers l'autre est gelé en un solide, une limite de grain se forme lorsque la croissance cesse.
Les métaux et les alliages métalliques sont de bons exemples de solides cristallins. Les métallurgistes, qui s’occupent de la conception des propriétés des métaux, constatent que la limite du grain est importante pour modifier le fonctionnement des métaux dans diverses applications. La taille et la forme des grains et leurs limites peuvent être modifiées en chauffant et en refroidissant le métal à des vitesses différentes, ou en travaillant à froid les grains, en les éclaircissant en les comprimant sous l'impact à la température ambiante.
Afin de modifier les propriétés d'un métal, celui-ci est exposé à une chaleur suffisante pour que les joints de grains se dissolvent et se reforment, un processus appelé recuit, dans lequel plus la vitesse de refroidissement est lente, plus la taille des grains est grande. Lorsqu'une pièce métallique est sollicitée, les défauts et les trous des couches atomiques du métal, appelés dislocations, se déplacent de l'intérieur du grain vers sa limite de grain. Si le métal est refroidi rapidement, les grains ont moins de temps pour se développer, ils deviennent plus petits et les dislocations se heurtent à des limites résistantes, ce qui renforce le métal - alliages de fer à petit grain, par exemple. Si le métal refroidit lentement, les grains sont plus gros, car les dislocations ont plus de temps pour se déplacer vers la limite sans provoquer le début d'un trou ou d'une fissure plus importants. Les gros grains sont présents dans les métaux, tels que le cuivre et l'aluminium, qui sont ductiles, s'étendent facilement et se lisent lentement.
La limite de grain est la surface à la surface d'un grain qui est plus vulnérable à la fois aux attaques corrosives de polluants chimiques et à la croissance forcée des fissures qui, à terme, peuvent entraîner la rupture ou la rupture d'une pièce métallique. Les métaux à petits grains ont tendance à être plus forts que les métaux à gros grains, mais ont davantage de chances de se fissurer à leurs limites, ce qui les rend fragiles et les cassent sans prévenir. Les fissures dans les pièces en métal ductile, telles que les alliages d'aluminium utilisés dans les jets, avec peu de dislocations à la limite des grains, se développent lentement. Ils peuvent être suivis en toute sécurité dans le temps pour prédire combien de temps il reste dans une pièce métallique ou combien de temps la pièce a avant de ne plus pouvoir fonctionner correctement.