Lorsque l’extérieur d’un matériau solide est poli puis gravé à l’acide, des lignes peuvent être vues sur sa surface à travers un microscope optique. Ces lignes sont les limites des grains, ou les lignes qui marquent le bord extérieur des grains, des formes cristallines qui se forment lorsqu’un matériau se refroidit du liquide au solide. 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 font dans les solides cristallins.
Les grains des matériaux cristallins se forment de la même manière que les cristaux de flocon de neige se forment lorsque l’eau gèle. Avant qu’un liquide ne gèle, il y a des endroits à l’intérieur qui sont plus froids que le reste du liquide. Le grain pousse de ces sites vers l’extérieur jusqu’à ce qu’il atteigne un autre grain et s’arrête. Lorsque tout le liquide entre les grains qui poussent l’un vers l’autre s’est transformé en un solide, une limite de grain se forme lorsque la croissance s’arrête.
De bons exemples de solides cristallins sont les métaux et les alliages métalliques. Les métallurgistes, qui s’occupent de la conception des propriétés des métaux, constatent que le joint de grain est important pour modifier le fonctionnement des métaux pour diverses applications. La taille et la forme des grains et leurs limites peuvent être modifiées en chauffant et en refroidissant le métal à différentes vitesses, ou en travaillant à froid les grains, en les amincissant en les comprimant sous impact à température ambiante.
Afin de modifier les propriétés d’un métal, il est exposé à suffisamment de chaleur pour que les joints de grains se dissolvent et se reforment, un processus appelé recuit, où plus la vitesse de refroidissement est lente, plus la taille des grains formés est grande. Lorsqu’une pièce métallique est sollicitée, les défauts et les trous dans les couches atomiques du métal, appelés dislocations, se déplacent de l’intérieur du grain vers son joint de grain. Si le métal est refroidi rapidement, les grains ont moins de temps pour croître, ils deviennent plus petits et les dislocations rencontrent des limites résistantes, ajoutant de la résistance au métal – des alliages de fer à petits grains, par exemple. Si le métal se 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 gros. De gros grains sont observés dans les métaux, tels que le cuivre et l’aluminium, qui sont ductiles, s’étendent facilement et sont lents à se fissurer.
Le joint de grain est la zone à la surface d’un grain qui est plus vulnérable à la fois aux attaques corrosives des polluants chimiques et à la croissance forcée des fissures qui, avec le temps, peuvent entraîner la défaillance ou la rupture d’une pièce métallique. Les métaux à petits grains ont tendance à être plus résistants que les métaux à plus gros grains, mais ont plus de chances de se fissurer à leurs limites, ce qui les rend cassants et les fait casser sans avertissement. Les fissures dans les pièces métalliques ductiles, telles que les alliages d’aluminium utilisés dans les jets, avec peu de dislocations à leurs joints de grains, se développent lentement. Ils peuvent être suivis en toute sécurité au fil du temps pour prédire la durée de vie restante d’une pièce métallique ou le temps dont dispose la pièce avant qu’elle ne puisse plus fonctionner correctement.