Quando l’esterno di un materiale solido viene lucidato e poi inciso con acido, le linee possono essere viste sulla sua superficie attraverso un microscopio ottico. Queste linee sono i bordi dei grani, o le linee che segnano il bordo esterno dei grani, forme simili a cristalli che si formano quando un materiale 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 fanno nei solidi cristallini.
I grani nei materiali cristallini si formano in modo simile al modo in cui i cristalli dei fiocchi di neve fanno quando l’acqua si congela. 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 finché non raggiunge 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, si forma un confine di grano quando la crescita si ferma.
Buoni esempi di solidi cristallini sono i metalli e le leghe metalliche. I metallurgisti, che si occupano della progettazione delle proprietà dei metalli, scoprono che il confine del grano è importante nel modificare il funzionamento dei metalli per varie applicazioni. La dimensione e la forma dei grani e i loro bordi possono essere modificati riscaldando e raffreddando il metallo a velocità diverse, oppure lavorando a freddo i grani, assottigliandoli comprimendoli sotto l’impatto a temperatura ambiente.
Per modificare le proprietà di un metallo, è esposto a calore sufficiente in modo che i bordi del grano si dissolvano e si riformano, un processo chiamato ricottura, in cui più lenta è la velocità di raffreddamento, maggiore è la dimensione del grano formata. Quando una parte metallica è sollecitata, i difetti e i fori negli strati atomici del metallo, chiamati dislocazioni, si spostano dall’interno del grano verso il suo bordo grano. Se il metallo viene raffreddato 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 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 foro o di una fessura più grandi. I grani di grandi dimensioni sono visibili nei metalli, come il rame e l’alluminio, che sono duttili, si estendono facilmente e sono lenti a rompersi.
Il bordo del grano è l’area sulla superficie di un grano che è più vulnerabile sia all’attacco corrosivo di inquinanti chimici che alla crescita forzata di crepe che, nel tempo, può provocare il cedimento o la rottura di una parte metallica. I metalli con grani piccoli tendono ad essere più forti dei metalli a grani più grandi, ma hanno una maggiore opportunità di fessurarsi ai loro confini, tendendo a renderli fragili e provocandone la rottura senza preavviso. Le crepe nelle parti metalliche duttili, come le leghe di alluminio utilizzate nei getti, con poche dislocazioni ai bordi dei grani, 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.