Zwillingsgrenzen sind spezielle kohärente Korngrenzen, die zwei Kristallbereiche gleicher Phase und Zusammensetzung trennen, deren Gitterorientierungen durch eine wohldefinierte kristallographische Spiegelung oder Rotations-Spiegel-Symmetrie (Zwillingsoperation) miteinander verknüpft sind. Die beiden Domänen bilden ein Zwillingspaar; die Trennfläche wird als Zwillingsgrenze bezeichnet.

Man unterscheidet Wachstumszwillinge, die während der Erstkristallisation entstehen, von Verformungszwillingen, die unter mechanischer Last (insbesondere bei geringen Temperaturen und hoher Stapelfehlerenergie) durch kollektive Versetzungsschübe gebildet werden, sowie Umwandlungszwillingen, die eine martensitische oder diffusionslose Phasenumwandlung begleiten. Typische Systeme sind kubisch-flächenzentrierte Metalle wie Cu oder austenitische Stähle (Σ3{111}-Zwillingsgrenzen) sowie hexagonal dichtgepackte Metalle.

Zwillingsgrenzen besitzen aufgrund ihrer hohen Kohärenz meist eine relativ geringe spezifische Grenzflächenenergie und können daher thermodynamisch begünstigt sein. Sie beeinflussen zentrale Werkstoffeigenschaften: Sie wirken als wirksame Hindernisse für Versetzungsbewegung und tragen zur Festigkeitssteigerung ("twin boundary strengthening") bei, ohne die Leitfähigkeit oder Duktilität in gleichem Maße zu reduzieren wie hochwinkelige Korngrenzen. Gleichzeitig können sie bevorzugte Gleitpfade für bestimmte Versetzungen sein und die plastische Anisotropie steuern.

In nanostrukturierten und nanotwin-verstärkten Metallen dienen periodische Zwillingsgrenzen als effiziente Defektbarrieren, was zu außergewöhnlichen Kombinationen aus Festigkeit, Kriechbeständigkeit und Zähigkeit führt. Die gezielte Einstellung von Zwillingsgrenzen durch thermomechanische Behandlung oder epitaktisches Wachstum ist daher ein zentrales Designwerkzeug in der modernen Gefüge- und Eigenschaftsoptimierung.