Chemische Elemente bilden die atomare Grundlage sämtlicher Werkstoffe. In der Werkstofftechnik werden ihre Eigenschaften – Atomradius, Elektronegativität, Valenzelektronen, Kristallstruktur und thermodynamische Stabilität – gezielt genutzt, um mechanische, chemische und funktionale Eigenschaften von Metallen, Keramiken und Polymeren einzustellen.

Metallische Werkstoffe bestehen häufig aus einem Hauptelement (z. B. Fe, Al, Ni) und verschiedenen Legierungselementen (z. B. Cr, Mo, V, Nb). Diese Elemente steuern Phasengleichgewichte, Ausscheidungshärtung, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperatureigenschaften. Refraktäre Elemente wie Ta, W oder Mo ermöglichen den Einsatz bei extremen Temperaturen, während Seltenerd-Elemente (z. B. Nd, Dy) für magnetische, optische und katalytische Funktionen essenziell sind.

Spurenelemente im ppm- bis niedrigen wt%-Bereich können die Mikrostruktur und Versagensmechanismen signifikant beeinflussen – positiv (Reinigung von Schmelzen, Korngrenzenstabilisierung) oder negativ (Heißrissneigung, Wasserstoffversprödung). Elemente wie Antimon, Tantal und Vanadium sind klassische Beispiele für funktionale oder wirkungsstarke Zusatz- bzw. Legierungselemente.

Technologiekritische Elemente und aufkommende Elemente stehen im Fokus, da sie für Schlüsseltechnologien (Energie, Elektronik, Mobilität) unverzichtbar, aber in Verfügbarkeit, Recycling oder Substituierbarkeit limitiert sind. Die werkstoffwissenschaftliche Herausforderung besteht darin, die Rolle einzelner Elemente in Struktur‑Eigenschafts‑Beziehungen quantitativ zu verstehen und darauf basierend elementeffiziente, nachhaltige und leistungsfähige Werkstoffkonzepte zu entwickeln.