Eine Legierung (von ) ist in der Metallurgie ein makroskopisch homogener metallischer Werkstoff aus mindestens zwei Elementen (Komponenten), von denen mindestens eins ein Metall ist und die gemeinsam das metalltypische Merkmal der Metallbindung aufweisen. Aus chemischer Sicht gibt es Legierungen, die Gemische darstellen, und intermetallische Verbindungen mit definiertem stöchiometrischem Verhältnis der beteiligten Metalle. Im Allgemeinen haben Legierungen zudem einen kristallinen Aufbau. Es gibt jedoch auch amorphe metallische Gläser.

Je nach Art der Legierungsbildung kann eine Legierung auf mikroskopischer Ebene homogen oder heterogen sein. Legierungen, die ausschließlich Mischkristalle oder ausschließlich intermetallische Verbindungen bilden, sind homogen. Alle anderen, die aus mehreren Phasen bestehen, sind heterogen.

Das Verhalten der Elemente in einer Legierung und ihr Einfluss auf deren Eigenschaften sind in der Regel von drei Faktoren abhängig: Art und Anzahl der Legierungspartner, ihrem Massenanteil an der Legierung sowie der Temperatur. Diese Faktoren bestimmen die jeweilige Aufnahmefähigkeit, das heißt Löslichkeit des einen Elementes im anderen und ob die Legierungspartner Mischkristalle oder Gemische aus reinen Kristallen (auch Kristallgemische) der jeweiligen Legierungskomponenten bilden.

Das Zeitwort legieren stammt ursprünglich vom lateinischen ligare und bedeutet ‚zusammenbinden‘, ‚verbinden‘ oder auch ‚vereinigen‘. Im 17. Jahrhundert wurde das inzwischen leicht abgewandelte legare (mit derselben Bedeutung) ins Deutsche übernommen.www.fremdwort.de: Legierung.

Eigenschaften Das Legierungselement kann mit dem Grundelement eine feste Lösung bilden (einphasige Legierung) oder es bilden sich mehrere Phasen. Während bei einphasigen Legierungen die Eigenschaften im Wesentlichen durch die chemische Zusammensetzung bestimmt werden, werden diese bei mehrphasigen Legierungen zusätzlich maßgeblich durch die Verteilung der Phasen (Gefüge) beeinflusst. Basismetall und Legierungselemente werden auch Komponenten einer Legierung genannt. In der Liste der Legierungselemente werden sie und ihre Wirkungen auf die jeweiligen Basismetalle aufgeführt. Mischkristalle weisen eine höhere Härte und Zugfestigkeit, jedoch eine geringere Schmelztemperatur als das Basismetall auf. Bei Metallen sinkt zudem die elektrische Leitfähigkeit. Für die relativ weichen, reinen Metalle ist die Mischkristallverfestigung eine von vier möglichen festigkeitssteigernden Vorgängen, um einen harten Werkstoff herzustellen.

Mit der Erstarrung einer vergossenen Legierung ist die Kristallisation nicht in jedem Fall abgeschlossen. Bestimmte Legierungen können auch noch als Gussstück – kalt ausgelagert, oder erwärmt – („angelassen“) ihre mechanischen Eigenschaften (Bruchfestigkeit, Härte, Dehnung) verbessern. Bei Knetlegierungen ist die das Gefüge verfestigende Umkristallisation durch Kaltauslagerung oder Warmbehandlung sogar Voraussetzung für die Fertigung von Halbzeug.

Beispiele für „natürliche Legierungen“ sind Elektrum, eine Gold-Silber-Legierung, und Stibarsen, eine Antimon-Arsen-Legierung.

Bei „künstlich hergestellten Legierungen“ unterscheidet man solche, die bewusst hergestellt wurden, um Werkstoffeigenschaften (Beispiele Härte, Korrosions­beständigkeit) der „Basismetalle“ auf die gewünschte Weise zu ändern, und solche, die unbeabsichtigt entstehen, weil Fremdstoffe (Metallurgie) bereits durch die Herstellung in die Legierung gelangen und negative Wirkungen auf die Werkstoffeigenschaften ausüben können. Beispiele für Letzteres sind unter anderem Bismut und/oder Arsen in Messingen, ebenso Bismut in AlSi-Legierungen, wo es die Gefügeausbildung stark beeinträchtigt.

Geschichte Kupfer, Zinn und Bronze mini|Bronzebeile Kupfer ist eines der ersten von Menschen genutzten Metalle; es wurde wohl vor etwa 6000 bis 10000 Jahren zufällig in unter Luftzufuhr besonders heiß brennenden Holzkohlefeuern entdeckt. Es gab der Kupfersteinzeit ihren Namen. Bei einem Schmelzpunkt von 1083 °C kann es aus Kupferadern im Gestein in flüssiger Form austreten. Durch Erhitzung kupferhaltiger, oxidischer Erze kann Kupfer hingegen nur bei reduzierender Feuerung, also in Gegenwart von Holzkohle, gewonnen werden. Zinn (Schmelzpunkt 232 °C) wurde vor ca. 5000 Jahren entdeckt.

Bronze als Legierung aus Kupfer und Zinn (CuSn) ist vorgeschichtlich seit ca. 3300 v. Chr. in Palästina nachgewiesen. Bronze ist härter und schnitthaltiger als Kupfer und gab der Bronzezeit (etwa 2200 bis 800 v. Chr.) ihren Namen. Gebrauchsgegenstände, Werkzeug, Waffen und Schmuck wurden aus Bronze hergestellt. Glocken werden bis heute aus Bronze gegossen; ebenso viele Plastiken.

Messing mini|Messingfigur Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink (CuZn, Schmelzpunkt 420 °C). Zink wurde, meist in Form des Zinkcarbonats „Galmei“ (Smithsonit), seit der Bronzezeit um etwa 3000 v. Chr. in Babylon und Assyrien verwendet, in Palästina etwa 1400 bis 1000 v. Chr. Messing war lange Zeit ein wichtiges Münzmetall bei der Münzprägung. Es wurde und wird wegen seines goldenen Glanzes auch zur Herstellung von Schmuck und Plastiken verwendet. Je höher der Zinkgehalt ist, desto heller ist sein Farbton.

Eisenlegierungen mini|Eisensichel Eisen-Legierungen wurden bereits in prähistorischer Zeit verwendet, allerdings nur aus Meteoriten, in denen sich häufig die Legierung Eisen-Nickel (FeNi) befindet. Da Meteoriten selten gefunden wurden, waren Gegenstände aus Eisen entsprechend wertvoll. Die Sumerer nannten es „Himmelsmetall“, die alten Ägypter „schwarzes Kupfer vom Himmel“. Verhüttetes Eisen (Erkennung durch Fehlen von Nickel) wurde in Mesopotamien, Anatolien und Ägypten gefunden und ist etwa 3000 bis 2000 v. Chr. entstanden. Es war wertvoller als Gold und wurde vor allem für zeremonielle Zwecke verwendet. Eisen ist härter als Bronze und Kupfer, was in vielen Anwendungsfällen wichtig war und ist. Verbesserungen in der Eisengewinnung und -verarbeitung ließen die Menschen dazu übergehen, Waffen und Werkzeuge wie Pflüge aus Eisen zu fertigen (siehe auch Geschichte der Produktionstechnik). Die Bronzezeit ging zu Ende und die Eisenzeit begann.

Einteilung Je nach Anzahl der Komponenten in der Legierung spricht man von einer Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung (binäre, ternäre, quaternäre oder polynäre Legierung), wobei nur diejenigen Komponenten gezählt werden, die die charakteristischen Eigenschaften bestimmen. Da Eisen und Stahl in der Technik von besonderer Bedeutung sind, werden Legierungen in Eisen- und Nichteisen-Legierungen unterteilt. Weitere Einteilungen ergeben sich durch die Art der Legierungsbildung, da diese nicht nur durch Zusammenschmelzen der Komponenten entstehen, oder auch durch besondere Fähigkeiten von Legierungen.

Natürliche Legierungen entstehen durch Hitzeeinwirkung und Aufschmelzen von Elementen zum Beispiel im Inneren von Himmelskörpern. Da diese Legierungen nicht von Menschen gesteuert wurden, unterliegen sie auch nicht deren definierten Zusammensetzungen und Eigenschaften. Eisenlegierungen werden in Gusseisen und Stahl unterteilt. Die Unterscheidung beruht auf dem Gehalt an Kohlenstoff. Siehe Hauptartikel Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Besondere Bedeutung haben die Edelstähle: unlegierte oder niedrig- bis hochlegierte Stähle mit besonderem Reinheitsgrad (siehe auch Stahlsorte). Nichteisen-Legierungen (NE-Legierungen; Beispiel Bronze, Messing, Amalgame, Weißgold, Rotgold) sind Legierungen auf der Basis von Nichteisenmetallen. Diffusionslegierungen entstehen durch die Diffusion von Atomen ins Kristallgitter der Basismetalle. Besonders die ersten Elemente im Periodensystem sind wegen der Kleinheit ihrer Atome gegenüber dem Basismetall in der Lage, in dessen Kristallgitter einzuwandern. Das beste Beispiel für eine Diffusionslegierung ist das Aufkohlen von Werkstücken, um sie härten zu können (s. Tempern). Heuslersche Legierungen sind sehr spezielle ferromagnetische Legierungen, die kein Eisen, Kobalt oder Nickel enthalten (Beispiel Cu2AlMn). Formgedächtnis-Legierungen sind Metalle, die nach einer Verformung durch Hitzeeinwirkung zu ihrer Ursprungsform zurückkehren. Gusslegierungen dienen direkter Formgebung. Knetlegierungen sind als „Halbzeug“ ein Zwischenprodukt, das zu weiterer walzender, pressender oder ziehender Umformung bestimmt ist. Pseudolegierungen nennt man die durch Sintern (Zusammenpressen verschiedener, innig vermengter Metallpulver bei hoher Temperatur) entstandenen Werkstücke. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Elemente mischen, die sich im schmelzflüssigen Zustand nicht ineinander lösen würden. Viele Wolfram-Legierungen werden z. B. so hergestellt.

Legierungsformel Zur Kennzeichnung einer Legierung wird meist zuerst das Basismetall genannt, dahinter folgen der oder die wichtigsten Bestandteile als Kürzel für das Metall mit angehängter Zahl, die den jeweiligen Prozentanteil (Massenprozent) wiedergibt. Eine Legierung CuZn37 (frühere Bezeichnung Messing 63) besteht aus der Kupferbasis, der 37 % Zink zugefügt wurden.

Stahl ist grundsätzlich eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit zumeist weiteren Legierungselementen. Für diese gilt eine Nomenklatur, die von dem vorgenannten Schema abweicht. Das Eisen als Grundmetall wird hierbei grundsätzlich nicht genannt. Bei legierten Stählen entfällt zudem auch das C zur Bezeichnung des Kohlenstoffes, der in der Formel stets zuerst genannt wird. Mit einem vorangestellten X wird zudem angegeben, dass es sich um einen rostfreien Stahl mit anderen Faktoren handelt.

Da im Stahl die Konzentrationen der einzelnen Legierungselemente oft einen einstelligen Promillebereich nicht übersteigen, werden sie bei Stählen entsprechend nachfolgender Tabelle stets mit einem Faktor angegeben, der vom Legierungselement abhängt.

+ Faktoren für Legierungselemente Legierungselemente Faktor nicht korr.-beständig korrosions-beständig Co, Cr, Mn, Ni, Si, W 4 1 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V 10 C, N, P, S 100 100 B 1000

Allerdings sind diese Werte nur (historische) Anhaltswerte, die zulässige Zusammensetzung wird in Normen definiert (siehe EN 10020/10025/10083/10088/10269, EN ISO 4957, AISI/SAE J403, ASTM, UNS):

+ Beispiele für Legierungsformeln von Stahllegierungen Stahl Legierungs-formel Zusammensetzung Bemerkungen Fe (ca.) C andere Metalle 1.0037 C37 99 % 0,17 % (Mn: 1,4 %) unlegierter Baustahl, max. zulässiger Kohlenstoffgehalt 0,17 %,wird nicht mehr verwendet, ersetzt durch S235JR bzw. AISI/SAE 1037https://www.hsm-stahl.de/werkstoff/10037/ 1.8519 31 CrMoV 9 96 % 0,27…0,34 % (Cr: 2,3…2,7 %), (Mo: 0,15..0,25 %),(V: 0,1…0,2 %), (Mn: 0,4…0,7 %) heutzutage höher legiert als die 9 angibthttps://www.hsm-stahl.de/wp-content/uploads/2023/08/HSM_Datenblatt_1.8519.pdf 1.4300 X 12 CrNi 18 8oder 18CrNi8 70 % 0,12 % Cr: 17…19 %, Ni: 8…10 % rostfreier Stahl: Cr und Ni ohne Faktorhttps://www.steelestores.com/grade/din-x-12-crni-18-8.htmlBesteck: 18CrNi8 oder 18CrNi10

Die Angabe von Legierungsanteilen ist unter anderem durch die (in den 1980er Jahren durch die ) geregelt.

Zustandsschaubild (Zustandsdiagramm, Phasendiagramm) Durch Kristallisations-Versuchsreihen mit verschiedenen Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung bei der thermischen Analyse werden die Kristallisations- bzw. Kristallumwandlungspunkte aufgezeichnet und in ein Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramm eingetragen, wobei die Temperatur in Abhängigkeit zur Legierungszusammensetzung steht.

Für Zweistoffsysteme haben sich dabei vor allem in Hinsicht auf das Kristallsystem drei typische Formen von Zustandsschaubildern ergeben:

Zweistoffsysteme mit vollständiger Löslichkeit im festen Zustand Bei vollständiger Löslichkeit im festen Zustand bilden sich in jeder Zusammensetzung Mischkristalle. Es gibt zwei Möglichkeiten der Mischkristallbildung (MK), Einlagerungs- und Substitutionsmischkristall.