Co to jest granica ziarna?
Kiedy powierzchnia zewnętrzna stałego materiału jest wypolerowana, a następnie wytrawiona kwasem, linie można zobaczyć na jej powierzchni za pomocą mikroskopu świetlnego. Te linie to granice ziaren lub linie wyznaczające zewnętrzną krawędź ziaren, kształty podobne do kryształów, które tworzą się, gdy materiał ochładza się z cieczy na ciało stałe. Substancje stałe, które nie tworzą ziaren, nazywane są amorficznymi, ponieważ tworzące je atomy nie organizują się we wzory, jak w krystalicznych ciałach stałych.
Ziarna w materiałach krystalicznych tworzą się podobnie jak kryształy płatka śniegu, gdy woda zamarza. Zanim ciecz zamarznie, w środku są miejsca, które są chłodniejsze niż reszta płynu. Ziarno rośnie z tych miejsc na zewnątrz, aż dotrze do innego ziarna i zatrzyma się. Kiedy cała ciecz między ziarnami rosnącymi ku sobie zamarza w ciało stałe, granica ziarna tworzy się, gdy wzrost zatrzymuje się.
Dobrymi przykładami krystalicznych ciał stałych są metale i stopy metali. Metalurgowie zajmujący się projektowaniem właściwości metali, stwierdzają, że granica ziaren jest ważna w zmianie funkcjonowania metali do różnych zastosowań. Rozmiar i kształt ziaren i ich granice można zmieniać przez ogrzewanie i chłodzenie metalu z różnymi prędkościami lub przez obróbkę ziaren na zimno, rozcieńczanie ich przez ściskanie pod wpływem uderzenia w temperaturze pokojowej.
Aby zmienić właściwości metalu, poddaje się go działaniu wystarczającej ilości ciepła, aby granice ziaren rozpuściły się i ponownie utworzyły, proces zwany wyżarzaniem, w którym im wolniejsze tempo chłodzenia, tym większy jest utworzony rozmiar ziarna. Kiedy część metalowa jest obciążona, defekty i otwory w atomowych warstwach metalu, zwane zwichnięciami, przesuwają się od ziarna w kierunku jego granicy. Jeśli metal szybko się ochładza, ziarna mają mniej czasu na wzrost, stają się mniejsze, a zwichnięcia spotykają się z granicami odporności, zwiększając wytrzymałość metalu - na przykład drobnoziarnistych stopów żelaza. Jeśli metal ostygnie powoli, ziarna są większe, ponieważ przemieszczenia mają więcej czasu na przesuwanie się w kierunku granicy bez powodowania początku większej dziury lub pęknięcia. Duże ziarna są widoczne w metalach, takich jak miedź i aluminium, które są plastyczne, łatwo się rozciągają i wolno pękają.
Granica ziarna to obszar na powierzchni ziarna, który jest bardziej podatny zarówno na korozyjny atak zanieczyszczeń chemicznych, jak i wymuszony wzrost pęknięć, który z czasem może doprowadzić do uszkodzenia lub pęknięcia części metalowej. Metale o małych ziarnach są zwykle silniejsze niż metale o większych ziarnach, ale mają zwiększoną możliwość pękania na ich granicach, powodując, że stają się kruche i powodują pękanie bez ostrzeżenia. Pęknięcia w plastycznych częściach metalowych, takich jak stopy aluminium stosowane w dyszach, z niewielkimi przemieszczeniami na granicach ziaren, rosną powoli. Można je bezpiecznie śledzić w czasie, aby przewidzieć, ile życia pozostało w metalowej części lub ile czasu ma ta część, zanim nie będzie już mogła prawidłowo funkcjonować.