¿Qué es un límite de grano?

Cuando el exterior de un material sólido se pule y luego se graba con ácido, se pueden ver líneas en su superficie a través de un microscopio óptico. Estas líneas son los límites de los granos, o las líneas que marcan el borde exterior de los granos, formas cristalinas que se forman a medida que el material se enfría de líquido a sólido. Los sólidos que no forman granos se llaman amorfos, porque los átomos que los componen no se organizan en patrones como lo hacen en los sólidos cristalinos.

Los granos en los materiales cristalinos se forman de manera similar a como se hacen los cristales de copo de nieve cuando el agua se congela. Antes de que un líquido se congele, hay lugares dentro que son más fríos que el resto del líquido. El grano crece desde estos sitios hacia afuera hasta que alcanza otro grano y se detiene. Cuando todo el líquido entre los granos que crecen uno hacia el otro se ha congelado en un sólido, se forma un límite de grano a medida que se detiene el crecimiento.

Buenos ejemplos de sólidos cristalinos son metales y aleaciones metálicas. Los metalúrgicos, que se ocupan del diseño de propiedades en metales, encuentran que el límite del grano es importante para cambiar el funcionamiento de los metales para diversas aplicaciones. El tamaño y la forma de los granos y sus límites se pueden cambiar calentando y enfriando el metal a diferentes velocidades, o trabajando en frío los granos, diluyéndolos al comprimirlos bajo impacto a temperatura ambiente.

Para cambiar las propiedades de un metal, se expone a suficiente calor para que los límites del grano se disuelvan y se reforman, un proceso llamado recocido, donde cuanto más lenta es la velocidad de enfriamiento, más grande se forma el tamaño del grano. Cuando una parte metálica está estresada, los defectos y agujeros en las capas atómicas del metal, llamadas dislocaciones, se mueven desde dentro del grano hacia su límite de grano. Si el metal se enfría rápidamente, los granos tienen menos tiempo para crecer, se vuelven más pequeños y las dislocaciones se encuentran con límites resistentes, lo que agrega resistencia al metal, por ejemplo, aleaciones de hierro de grano pequeño. Si el metal se enfría lentamente, los granos son más grandes, porque las dislocaciones tienen más tiempo para moverse hacia el límite sin causar el inicio de un agujero o grieta más grande. Los granos grandes se ven en metales, como el cobre y el aluminio, que son dúctiles, se extienden fácilmente y se rajan lentamente.

El límite del grano es el área en la superficie de un grano que es más vulnerable tanto al ataque corrosivo de contaminantes químicos como al crecimiento forzado de grietas que, con el tiempo, puede provocar la falla o rotura de una parte metálica. Los metales con granos pequeños tienden a ser más fuertes que los metales de grano más grande, pero tienen una mayor oportunidad de agrietarse en sus límites, lo que los hace quebradizos y hacen que se rompan sin previo aviso. Las grietas en las partes metálicas dúctiles, como las aleaciones de aluminio utilizadas en chorros, con pocas dislocaciones en sus límites de grano, crecen lentamente. Se pueden rastrear de manera segura a lo largo del tiempo para predecir cuánta vida queda en una parte metálica, o cuánto tiempo tiene la parte antes de que ya no pueda funcionar correctamente.