Τι είναι το όριο κόκκων;

Όταν το εξωτερικό ενός στερεού υλικού γυαλίζεται και στη συνέχεια χαράζεται με οξύ, μπορούν να φανούν γραμμές στην επιφάνειά του μέσω ενός μικροσκοπίου φωτός. Αυτές οι γραμμές είναι τα όρια των κόκκων ή οι γραμμές που σηματοδοτούν την εξωτερική άκρη των κόκκων, κρυστάλλινα σχήματα που σχηματίζονται καθώς ένα υλικό ψύχεται από υγρό σε στερεό. Τα στερεά που δεν σχηματίζουν κόκκους ονομάζονται άμορφα, επειδή τα άτομα που τα συνθέτουν δεν οργανώνονται σε σχέδια όπως συμβαίνει στα κρυσταλλικά στερεά.

Οι κόκκοι στα κρυσταλλικά υλικά σχηματίζονται παρόμοια με τον τρόπο που κάνουν οι κρύσταλλοι της νιφάδας χιονιού καθώς το νερό παγώνει. Πριν παγώσει ένα υγρό, υπάρχουν σημεία στο εσωτερικό που είναι πιο δροσερά από το υπόλοιπο υγρό. Ο κόκκος αναπτύσσεται από αυτές τις θέσεις προς τα έξω μέχρι να φτάσει σε άλλο σιτάρι και να σταματήσει. Όταν όλο το υγρό μεταξύ των κόκκων που αναπτύσσονται ο ένας προς τον άλλο έχει παγώσει σε στερεό, σχηματίζεται ένα όριο κόκκων καθώς σταματά η ανάπτυξη.

Καλά παραδείγματα κρυσταλλικών στερεών είναι τα μέταλλα και τα κράματα μετάλλων. Οι μεταλλουργοί, που ασχολούνται με το σχεδιασμό ιδιοτήτων σε μέταλλα, διαπιστώνουν ότι το όριο των κόκκων είναι σημαντικό για την αλλαγή της λειτουργίας των μετάλλων για διάφορες εφαρμογές. Το μέγεθος και το σχήμα των κόκκων και τα όριά τους μπορούν να αλλάξουν μέσω θέρμανσης και ψύξης του μετάλλου με διαφορετικούς ρυθμούς ή με ψυχρή επεξεργασία των κόκκων, αραίωσή τους συμπιέζοντάς τους υπό κρούση σε θερμοκρασία δωματίου.

Προκειμένου να αλλάξουν οι ιδιότητες ενός μετάλλου, εκτίθεται σε αρκετή θερμότητα, ώστε τα όρια των κόκκων να διαλυθούν και να αναμορφωθούν, μια διαδικασία που ονομάζεται ανόπτηση, όπου όσο πιο αργός είναι ο ρυθμός ψύξης, τόσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος των κόκκων που σχηματίζεται. Όταν ένα μεταλλικό τμήμα πιέζεται, τα ελαττώματα και οι τρύπες στα ατομικά στρώματα του μετάλλου, που ονομάζονται εξαρθρώσεις, κινούνται από το εσωτερικό του κόκκου προς το όριο των κόκκων του. Εάν το μέταλλο ψύχεται γρήγορα, οι κόκκοι έχουν λιγότερο χρόνο για να αναπτυχθούν, γίνονται μικρότεροι και οι εξαρθρώσεις συναντώνται με όρια αντίστασης, προσθέτοντας αντοχή στο μέταλλο – κράματα σιδήρου με μικρούς κόκκους, για παράδειγμα. Εάν το μέταλλο ψύχεται αργά, οι κόκκοι είναι μεγαλύτεροι, επειδή οι εξαρθρώσεις έχουν περισσότερο χρόνο να κινηθούν προς το όριο χωρίς να προκαλέσουν την έναρξη μιας μεγαλύτερης τρύπας ή ρωγμής. Μεγάλοι κόκκοι εμφανίζονται σε μέταλλα, όπως ο χαλκός και το αλουμίνιο, που είναι όλκιμοι, εκτείνονται εύκολα και αργούν να ραγίσουν.

Το όριο κόκκου είναι η περιοχή στην επιφάνεια ενός κόκκου που είναι πιο ευάλωτη τόσο στη διαβρωτική επίθεση από χημικούς ρύπους όσο και στην εξαναγκασμένη ανάπτυξη ρωγμών που, με τον καιρό, μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία ή θραύση ενός μεταλλικού τμήματος. Τα μέταλλα με μικρούς κόκκους τείνουν να είναι ισχυρότερα από τα μέταλλα με μεγαλύτερους κόκκους, αλλά έχουν αυξημένη ευκαιρία για ρωγμές στα όριά τους, τείνοντας να τα κάνουν εύθραυστα και προκαλώντας το να σπάνε χωρίς προειδοποίηση. Οι ρωγμές σε όλκιμα μεταλλικά μέρη, όπως τα κράματα αλουμινίου που χρησιμοποιούνται σε πίδακες, με λίγες εξαρθρώσεις στα όρια των κόκκων τους, αναπτύσσονται αργά. Μπορούν να παρακολουθούνται με ασφάλεια με την πάροδο του χρόνου για να προβλεφθεί πόση ζωή παραμένει σε ένα μεταλλικό μέρος ή πόσο χρόνο έχει το εξάρτημα για να μην μπορεί πλέον να λειτουργήσει σωστά.