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結晶子とは、例えば多くの物質の冷却過程で形成される、微小な、あるいは顕微鏡レベルの結晶のことです。結晶子は、粒とも呼ばれます。
結晶粒の配向は、特定の方向を持たないランダムな場合（ランダムテクスチャと呼ばれる）と、成長や加工条件によって方向性を持つ場合がある。単結晶の構造は高度に秩序化されており、格子は連続的で途切れていないが、ガラスや多くのポリマーなどの非晶質材料は非結晶性であり、構成要素が秩序だった方法で配置されていないため、構造を示さない。多結晶構造と準結晶相は、これら2つの極端な例の中間に位置する。多結晶材料、または多結晶は、さまざまなサイズと配向を持つ多数の結晶粒で構成される固体である。ほとんどの材料は多結晶であり、多数の結晶粒が薄い非晶質固体層によって結合されている。一般的な金属、多くのセラミック、岩石、氷など、ほとんどの無機固体は多結晶である。関連用語であるオリゴ結晶材料は、少数の粗粒からなる微細構造であり、多くの場合、柱状で、インゴットの長手方向軸に平行である。この微細構造は、電子ビーム溶解によって製造されたインゴットに見られる。[ 3 ]
結晶粒同士が接する領域は、粒界として知られています。
単分散微細構造の結晶子サイズは通常、X線回折パターンから近似され、粒径は透過型電子顕微鏡などの他の実験手法によって測定されます。目視および操作可能な大きさの固体物体は、いくつかの例外を除いて、単結晶で構成されていることはまれです（宝石、電子産業用のシリコン単結晶、特定の種類の繊維、ターボジェットエンジン用のニッケル基超合金の単結晶、直径が0.5メートルを超える氷の結晶など）。[ 4 ]結晶子サイズは、数ナノメートルから数ミリメートルまで変化する可能性があります。
固体の結晶性（結晶度）は、その物理的性質に重要な影響を与える。[ 5 ]硫黄は通常多結晶であるが、全く異なる性質を持つ他の同素体として存在することもある。 [ 6 ]結晶子は粒と呼ばれるが、粉末粒子は、それ自体がより小さな多結晶粒子から構成されている可能性があるため、異なる。[ 7 ]一般的に、多結晶は過熱されない。十分に高い温度にするとすぐに溶ける。これは、粒界が非晶質であり、液相の核生成点として機能するためである。対照的に、液体が冷却されるときに固体核が存在しない場合、過冷却になる傾向がある。これは機械的材料にとって望ましくないため、合金設計者はしばしばこれに対抗する措置（結晶粒微細化）を講じる。
材料の破壊は、粒界破壊または粒内破壊のいずれかである。粉末粒子には曖昧さがある。粉末粒子は複数の結晶子から構成されている可能性がある。そのため、レーザー粒度測定で得られる（粉末の）「粒径」は、X線回折（例えばシェラー法）、偏光顕微鏡観察、または走査型電子顕微鏡（後方散乱電子）で得られる「粒径」（むしろ結晶子サイズ）とは異なる場合がある。
個々の結晶粒が完全にランダムに配向している場合、十分な体積の多結晶材料はほぼ等方性になります。この特性は、連続体力学の単純化された仮定を実際の固体に適用するのに役立ちます。しかし、ほとんどの製造材料は結晶粒に何らかの配向があり、その結果生じるテクスチャは、その挙動と特性を正確に予測するために考慮する必要があります。結晶粒がランダムな配向で大部分が整列している場合、モザイク結晶になります。少数の結晶粒が平均結晶粒サイズよりも著しく大きい異常粒成長は、さまざまな多結晶材料で一般的に観察され、平均結晶粒サイズが類似した単分散結晶粒サイズ分布を持つ類似材料とは異なる機械的特性と光学的特性をもたらします。
粗粒岩は地質学的時間スケールで非常にゆっくりと形成されるのに対し、細粒岩は急速に形成されます。火山から噴出した溶岩が固まるなど、岩石が非常に急速に形成される場合、結晶が全く存在しないこともあります。黒曜石はこのようにして形成されます。
結晶粒界とは、異なる方位を持つ結晶が接する界面のことです。結晶粒界は単相界面であり、境界の両側の結晶は方位以外は同一です。「結晶粒界」という用語が使われることもありますが、まれです。結晶粒界領域には、元の格子位置からずれた原子、転位、そしてよりエネルギーの低い結晶粒界に移動した不純物などが含まれます。
結晶粒界を、回転した2つの部分に切断された単結晶の界面として幾何学的に扱うと、結晶粒界を定義するために必要な変数は5つあることがわかります。最初の2つの数値は、回転軸を指定する単位ベクトルから得られます。3番目の数値は、結晶粒の回転角度を示します。最後の2つの数値は、結晶粒界の平面（またはこの平面に垂直な単位ベクトル）を指定します。
粒界は、材料中の転位の移動を阻害します。転位の伝播は、粒界欠陥領域の応力場と、すべり面やすべり方向の欠如、および粒界全体にわたる整列によって妨げられます。したがって、粒径を小さくすることは、強度を向上させる一般的な方法であり、多くの場合、靭性を犠牲にすることなく、より小さな粒が単位面積あたりのすべり面の障害物を増やすため、強度が向上します。この結晶粒径と強度の関係は、ホール・ペッチの関係によって表されます。粒界は、高い界面エネルギーと比較的弱い結合を持つため、腐食の開始や固体からの新相の析出の好ましい場所となります。
粒界移動は、クリープの多くのメカニズムにおいて重要な役割を果たします。粒界移動は、せん断応力が粒界面に作用し、結晶粒が滑り出すときに発生します。これは、微細粒材料は、特に高温では、粗粒材料に比べてクリープに対する抵抗力が実際には低いことを意味します。これは、結晶粒が小さいほど、粒界サイトに多くの原子が含まれるためです。粒界は、点欠陥の発生源および吸収源となるため、変形も引き起こします。材料中の空隙は粒界に集まる傾向があり、これが臨界値に達すると、材料が破壊される可能性があります。
粒界移動中、速度決定段階は隣接する2つの粒の間の角度に依存する。小角転位境界では、移動速度は転位間の空孔拡散に依存する。高角転位境界では、これは収縮する粒から成長する粒への単原子ジャンプによる原子輸送に依存する。[ 8 ]
結晶粒界は一般的に数ナノメートル程度の幅しかありません。一般的な材料では、結晶粒が十分に大きいため、結晶粒界は材料のごく一部を占めるにすぎません。しかし、非常に小さな結晶粒サイズを実現することも可能です。ナノ結晶固体では、結晶粒界が材料の体積のかなりの部分を占めるようになり、拡散や塑性などの特性に大きな影響を与えます。結晶粒が極限まで小さくなると、結晶粒界の体積分率が100%に近づき、材料は結晶性を失い、非晶質固体になります。
磁性材料の磁気ドメインにも結晶粒界が存在します。例えば、コンピュータのハードディスクは、誘導ヘッドによって磁気モーメントを再配列できる原子領域を含む硬質強磁性材料でできています。磁化は領域ごとに異なり、これらの領域間のずれがデータ保存の鍵となる境界を形成します。誘導ヘッドはこれらのドメイン領域の磁気モーメントの向きを測定し、「1」または「0」を読み取ります。これらのビットが読み取られるデータです。この技術では、結晶粒径が重要です。なぜなら、結晶粒径によって1つのハードディスクに収まるビット数が制限されるからです。結晶粒径が小さいほど、より多くのデータを保存できます。
超合金タービンブレードなどの特定の材料では、結晶粒界が危険となるため、ブレードにおける結晶粒界の影響を可能な限り最小限に抑えるための大きな技術的進歩がなされました。その結果、方向性凝固プロセスが開発され、ブレードの回転中にブレードにかかる最大引張応力の方向が通常ブレード軸に平行な柱状結晶粒構造を形成することで、結晶粒界が除去されました。こうして作られたタービンブレードは単一の結晶粒で構成され、信頼性が向上しました。