Che cos'è un confine di grano?

Quando l'esterno di un materiale solido viene lucidato e poi acidato con acido, le linee possono essere viste sulla sua superficie attraverso un microscopio ottico. Queste linee sono i confini del grano, o le linee che segnano il bordo esterno dei grani, forme simili a cristalli che si formano come un materiale che si raffredda da liquido a solido. I solidi che non formano grani sono chiamati amorfi, perché gli atomi che li compongono non si organizzano in schemi come nei solidi cristallini.

I grani in materiali cristallini si formano in modo simile al modo in cui i cristalli di fiocco di neve fanno come si congela l'acqua. Prima che un liquido si congeli, ci sono posizioni all'interno che sono più fredde rispetto al resto del fluido. Il grano cresce da questi siti verso l'esterno fino a raggiungere un altro grano e si ferma. Quando tutto il liquido tra i grani che crescono l'uno verso l'altro si è congelato in un solido, un confine di grano si forma quando la crescita si ferma.

Buoni esempi di solidi cristallini sono i metalli e le leghe metalliche. I metallurgisti, che si occupano di progettare proprietà in metalli, ritengono che il limite del grano sia importante per cambiare il funzionamento dei metalli per varie applicazioni. La dimensione e la forma dei grani e i loro confini possono essere modificati riscaldando e raffreddando il metallo a velocità diverse o lavorando a freddo i grani, assottigliandoli comprimendoli sotto impatto a temperatura ambiente.

Al fine di modificare le proprietà di un metallo, viene esposto a calore sufficiente in modo che i confini del grano si dissolvano e si riformino, un processo chiamato ricottura, dove più lento è il tasso di raffreddamento, maggiore è la dimensione del grano formata. Quando una parte metallica viene sollecitata, i difetti e i fori negli strati atomici del metallo, chiamati dislocazioni, si spostano dall'interno del grano verso il suo confine del grano. Se il metallo si raffredda rapidamente, i grani hanno meno tempo per crescere, diventano più piccoli e le dislocazioni si incontrano con i confini resistenti, aggiungendo forza al metallo, ad esempio le leghe di ferro a grana piccola. Se il metallo si raffredda lentamente, i grani sono più grandi, perché le dislocazioni hanno più tempo per spostarsi verso il confine senza causare l'inizio di un buco più grande o crepa. I grani di grandi dimensioni sono presenti nei metalli, come rame e alluminio, che sono duttili, si estendono facilmente e sono lenti a rompersi.

Il confine del grano è l'area sulla superficie di un grano che è più vulnerabile sia all'attacco corrosivo degli inquinanti chimici sia alla crescita forzata della crepa che, nel tempo, può provocare il fallimento o la rottura di una parte metallica. I metalli con piccoli grani tendono ad essere più forti dei metalli a grana più grande ma hanno una maggiore opportunità di spaccarsi ai loro confini, tendendo a renderli fragili e facendoli rompere senza preavviso. Le crepe nelle parti metalliche duttili, come le leghe di alluminio utilizzate nei getti, con poche dislocazioni ai bordi del grano, crescono lentamente. Possono essere monitorati in modo sicuro nel tempo per prevedere quanta vita rimane in una parte metallica o quanto tempo ha la parte prima che non possa più funzionare correttamente.