(a) Untuk suatu material tertentu, apakah menurut Anda energi permukaan akan lebih besar daripada, sama dengan, atau lebih kecil daripada energi batas butir? Mengapa demikian?
(b) Energi batas butir untuk batas butir sudut kecil lebih rendah dibandingkan dengan batas butir sudut besar. Mengapa demikian?
(a) Perbandingan Energi Permukaan vs. Energi Batas Butir
Untuk suatu material tertentu, energi permukaan akan selalu LEBIH BESAR daripada energi batas butir.
Mengapa demikian?
Atom-atom yang berada di permukaan luar kristal benar-benar kehilangan kontak dengan atom tetangganya di satu sisi (menghadap ke ruang hampa atau udara). Hal ini menyebabkan banyaknya ikatan yang terputus (dangling bonds), sehingga atom-atom permukaan berada pada tingkat energi yang sangat tinggi.
Batas butir adalah daerah pertemuan antara dua butir kristal yang memiliki orientasi berbeda. Meskipun susunan atom di daerah batas ini mengalami distorsi, tidak teratur, dan mengalami regangan, atom-atom di batas butir tetap dikelilingi oleh atom-atom lain di semua sisinya (tetap berikatan dengan atom dari butir tetangga).
Karena jumlah ikatan atom yang terputus pada permukaan jauh lebih banyak daripada jumlah ikatan yang sekadar terdistorsi pada batas butir, energi permukaan luar jauh lebih besar daripada energi batas butir.
(b) Energi Batas Butir Sudut Kecil vs. Sudut Besar
Energi batas butir untuk batas sudut kecil (low-angle grain boundary) lebih rendah dibandingkan dengan batas sudut besar (high-angle grain boundary).
Mengapa demikian?
Batas butir sudut kecil secara struktural dapat digambarkan sebagai keselarasan dari dislokasi sisi (edge dislocations) yang tersusun secara vertikal secara berkala. Karena sudut misorientasinya kecil (biasanya $< 10^\circ$–$15^\circ$), jumlah dislokasi yang diperlukan untuk menjembatani perbedaan orientasi tersebut relatif sedikit. Jarak antar-dislokasi masih cukup renggang, sehingga distorsi kisi dan tegangan yang dihasilkan di daerah tersebut masih rendah.
Seiring bertambahnya sudut misorientasi (sudut besar), jumlah dislokasi yang berjejal di batas butir menjadi sangat padat. Ketika dislokasi-dislokasi ini menjadi sangat rapat, medan tegangan mereka saling tumpang tindih secara masif, menyebabkan daerah batas butir menjadi sangat acak, longgar, dan mengalami distorsi struktur yang parah.
Karena batas butir sudut kecil memiliki kerapatan dislokasi dan tingkat distorsi atomik yang jauh lebih rendah dibandingkan batas sudut besar, energi regangan yang disimpan di dalamnya jauh lebih sedikit. Hal inilah yang membuat energinya menjadi lebih rendah (lebih stabil).
