Vad är en korngräns?

När utsidan av ett fast material poleras och sedan etsas med syra, kan linjer ses på dess yta genom ett ljusmikroskop. Dessa linjer är korngränserna, eller linjerna som markerar utsidan av korn, kristalliknande former som bildas som ett material som kyls från vätska till fast ämne. Fasta ämnen som inte bildar korn kallas amorf, eftersom atomerna som komponerar dem inte organiseras i mönster som de gör i kristallina fasta ämnen.

Kornen i kristallina material bildar liknande snöflingkristaller när vatten fryser. Innan en vätska fryser finns det platser inuti som är svalare än resten av vätskan. Spanningen växer från dessa platser utåt tills det når ett annat korn och slutar. När all vätska mellan korn som växer mot varandra har fryst till ett fast ämne bildas en korngräns när tillväxten stoppar.

Bra exempel på kristallina fasta ämnen är metaller och metalllegeringar. Metallurgister, som arbetar med att utforma egenskaper till metaller, finner att korngränsen är viktig för att förändra metallernas funktion för olika tillämpningar. Kornens storlek och form och deras gränser kan ändras genom uppvärmning och kylning av metallen i olika hastigheter, eller genom kallbearbetning av kornen, genom att tunnas ut dem genom att komprimera dem under påverkan vid rumstemperatur.

För att ändra metallens egenskaper utsätts den för tillräckligt med värme så att korngränserna upplöses och reformeras, en process som kallas glödgning, där ju långsammare kylningshastigheten är, desto större bildas kornstorleken. När en metalldel är stressad rör sig defekterna och hålen i metallens atomskikt, kallade förskjutningar, inifrån kornet mot dess korngräns. Om metallen kyls snabbt har kornen mindre tid att växa, de blir mindre och förskjutningar möter motståndskraftiga gränser, vilket ger styrka till metallen - till exempel småkorniga järnlegeringar. Om metallen svalnar långsamt är kornen större, eftersom förflyttningar har mer tid att röra sig mot gränsen utan att orsaka början av ett större hål eller spricka. Stora korn ses i metaller som koppar och aluminium, som är mjuk, sträcker sig lätt och är långsam att spricka.

Spanngränsen är det område på ytan av ett säd som är mer sårbart för både frätande angrepp av kemiska föroreningar och tvingad spricktillväxt som i tid kan leda till att en metalldel misslyckas eller bryts. Metaller med små korn tenderar att vara starkare än större kornmetaller men har en ökad möjlighet att spricka vid deras gränser, tenderar att göra dem spröda och få dem att bryta utan varning. Sprickor i duktila metalldelar, såsom aluminiumlegeringar som används i strålar, med få förskjutningar vid deras korngränser, växer långsamt. De kan spåras säkert över tid för att förutsäga hur mycket liv som finns kvar i en metalldel, eller hur mycket tid delen har innan den inte längre kan fungera korrekt.