Legierungselemente sindchemische Elemente, die einemMetall hinzugefügt (legiert) werden, um dessenWerkstoffeigenschaften auf die gewünschte Weise zu verbessern.
Legierungselemente können selbst Metalle wie beispielsweiseChrom,Molybdän undMangan, aber auchHalbmetalle wieBor undSilicium oderNichtmetalle wie z. B.Kohlenstoff undStickstoff sein. Ihr Verhalten innerhalb von Legierungen ist jedoch nicht immer gleich. Verschiedene Elemente haben zwar oft eine ähnliche, allerdings unterschiedlich starke Wirkung auf das Basismetall. Da Legierungselemente sich auch untereinander beeinflussen, lassen sich ihre Eigenschaftsänderungen nicht einfach addieren.
Technisch verwendete Elemente können einerseits ein Legierungselement, andererseits selbst das Basismetall für eine Legierung sein. DieListe der Legierungselemente gibt Auskunft über die positiven und negativen Wirkungen auf die jeweiligen Basismetalle.
Legierungselemente haben verschiedene Wirkungen auf das Basismaterial. Im Allgemeinen gilt, dass mit steigendem Gehalt an Elementen dieFestigkeit undHärte steigen, während dieBruchdehnung abnimmt. Dieelektrische Leitfähigkeit und diethermische Leitfähigkeit nehmen meist ebenfalls ab.
Eine wichtige Funktionsweise ist dieMischkristallverfestigung. Wenn die Atome des Legierungselementes nur geringfügig größer oder kleiner sind als diejenigen des Basismetalls, dann bilden sie einenSubstitutionsmischkristall, bei dem an Stellen, an denen normalerweise Atome des Basismetalls sich befinden würden durch Atome des Legierungselementes besetzt sind. Wegen der unterschiedlichen Atomgrößen können die Atome sich schlechter gegeneinander verschieben, was für eine dauerhafte Formänderung des Werkstoffes erforderlich ist. Die Festigkeit steigt somit. Wenn die Atome des Legierungselementes aber sehr viel kleiner sind als diejenigen des Basismetalls (z. B. Kohlenstoff im Stahl), dann besetzen sie Zwischenräume zwischen den Atomen des Basismaterials und bilden einen sogenanntenEinlagerungsmischkristall, was ebenfalls mit einer Festigkeitssteigerung verbunden ist.
Eine andere Wirkungsweise beruht auf der Bildung weiterer chemischer Verbindungen, häufig aus der Gruppe derintermetallischen Verbindungen die teilweise metallischen und teilweise nichtmetallischen Charakter haben (z. B. elektrisch leitfähig wie Metalle, aber hart und spröde wie Keramiken). Im Stahl bilden viele LegierungselementeCarbide, das heißt Verbindungen mitKohlenstoff (engl. Carbide). Die häufig zulegierten ElementeWolfram undChrom bilden beispielsweiseWolframcarbid undChromcarbid. Sie liegen meist in Form winziger, sehr harter Partikel vor und verbessern somit die Verschleißfestigkeit. Manche Legierungselemente können auch mit dem Basismaterial Verbindungen bilden. Unter anderem verbindet sich im StahlEisen mit Kohlenstoff zuZementit und inAluminium-Kupfer-Legierungen bildet sich Al2Cu, das maßgeblich für die höhere Festigkeit dieser Legierung verantwortlich ist.
Einer der wichtigstenKonstruktionswerkstoffe istStahl, eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Die Eigenschaften von Stahl können in vielfältiger Weise auf die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Bei den Legierungselementen ist grundsätzlich zu unterscheiden, ob sie Carbid-,Austenit- oderFerritbildner sind bzw. zu welchem Zweck sie dem Stahl zulegiert werden. Austenit und Ferrit sind die zwei wichtigstenModifikationen von Eisen.
Das Vorhandensein der Legierungselemente im Stahl ist oft nur die Voraussetzung, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Meist sind weitere Verarbeitungsschritte wie z. B. dieWärmebehandlung nötig. Die wichtigsten Legierungselemente sind:[1]
Metallische Legierungselemente
Wichtige nichtmetallische Legierungselemente sind: