人类广泛使用铁基金属材料，是因为铁本身具有优良丰富的性质，还是因为铁的数量最多最方便获得？_网络百科

实际上从天体物理和核物理的角度上来说，不太可能出现同时缺少铁和碳元素的星球，除非它是一个第三星族恒星......

然后说正题，人类广泛使用铁基金属一方面是因为铁本身相对易于获得，炼铁所需的工艺水平相当之低。但我个人的看法是铁本身的独特属性可能更为重要。

在系统学习金属材料的时候就会发现铁是一个非常独特的金属。可以具体列出这么几个：

铁作为一个室温为体心立方结构的金属，其室温韧性居然出奇的好。从金属结构上来说，体心立方金属的韧性应该相对较差一点，典型的例子就是 Cr、W 这些金属。当然，铁也不是唯一有这个特点的，比如另一个过渡金属钒，也是体心立方结构，也具有很好的室温韧性。
作为一个体心立方金属，铁的韧脆转变温度低于常见温度（除非去南极，一般碰不上）。这点钨等金属哭晕在厕所。另一个是钒，钒具有更低的韧脆转变温度，但是......
铁有一个重要的面心立方（奥氏体）/ 体心立方（铁素体）相变。像这种在接近单质态时具有最密堆积到次密堆积形式的一级相变的金属是很少的，尤其是相变前后的力学性能都还很不错。由于中间多了一个相变且其奥氏体和铁素体的碳溶解度有一定差异，就为热处理赋予了极大的自由度。所以有的老师会说天下钢铁工艺一旦，热处理独占七斗的说法。实际上几乎没有任何一种材料的热处理工艺能有钢铁这么丰富。
铁的面心立方（奥氏体）/ 体心立方（铁素体）相变受化学成分影响大。如果需要的化可以做出超大范围的改变，甚至得到不会发生相变的奥氏体或者铁素体钢。所以从极低温到高温都有铁的身影......另一个相似的金属是钛，但是很可惜没有铁的两相互补性强。
铁对杂质元素很不敏感，基本是最粗糙的元素之一，杂质多了性能会下降，但不会直接死给你看。相比之下，钒这家伙尽管室温韧性很好，但是杂质一多就分分钟碎给你看。
奥氏体几乎没有磁性，而铁素体还有一个铁磁 / 顺磁转变。所以铁能在磁性上玩很多花活。
铁还有一个神奇的亚稳的面心立方（奥氏体）/ 体心四方（马氏体）相变。这种亚稳态的相变与其中固溶的碳有显著关系，导致铁碳合金体系可以轻易实现过饱和固溶体并同时降低晶体对称性。巧就巧在这个晶体对称性的降低没有那么多，马氏体仍然可以近似看做是体心立方结构，（参考 1）这家伙在剧烈强化（过饱和固溶、快冷缺陷多等）的同时居然韧性还可以。钛合金也有类似性质，但是效果不如铁（钛合金的马氏体太弱了）。
铁的化学性质不那么活泼，冶炼铁不需要高端技术，完全可以依靠化学过程进行。作为对比凡是能和铁一战的金属，没有一个是好冶炼的（比如钛），凡是比铁好冶炼的，力学性能上都能被钢铁秒成渣渣（比如铜）。
更神奇的事铁这家伙室温性能不错的同时，高温性能居然也可以。
铁能自发的形成氧化膜。注意这点和中学课本不一样，铁是可以自发形成氧化膜的（不是铁锈，是氧化膜）。但是铁的氧化膜保护作用不强，因为氧化铁中氧扩散较强。但是神奇的部分来了，铁作为金属和重要的耐蚀元素（Cr 或者 Al）都是固溶的，但是铁的氧化物，他与耐蚀元素的氧化物基本都是不怎么固溶的。所以，他不会破坏耐蚀元素形成的保护层。所以这家伙的耐蚀性居然可以很好......
铁的密度相当合理。其实几乎在任何场合，铁的密度都不至于太差。虽然相比轻金属大点，但是也没大到完全不可接受。实际上如果铁具有铜的密度（8.9），马斯克就得考虑考虑能不能造不锈钢火箭了。
实际上从材料结构上来考虑，铁是很特殊的。晶体缺陷的研究表明铁素体中的缺陷聚集形态和多数体心立方金属都不一样，比如特立独行的 100 型位错环。另一个特立独行的是钒，这家伙顶着体心立方金属的名头，变形的时候却像面心立方金属那样很容易出孪晶。

还有一些特点是他的主要合金元素碳赋予的，铁碳合金实际上并不那么好操控，这也是为什么钢比铸铁晚那么多才出现的原因。但是好就好在，即使不那么理想的铸铁，性能依然相当可以：

碳是小原子，在铁中的扩散速度快，相对容易实现均匀化。这点秒杀无数合金，很多铜合金动不动就要好几天的均匀化热处理。同时也意味着可以比较容易得对铁碳合金脱碳和增碳。
铁的碳化物没有那么稳定，所以铸铁缓慢冷却时可以得到铁碳固溶体 + 石墨的组织。避免了产生大量碳化物导致的硬脆。也赋予了通过热处理或者添加其他元素形成或者消除碳化物的能力。
上一条导致了铁碳合金体系的一个特色，就是这家伙是 2 个元素的三相平衡，实际上铁碳平衡是由铁 - 石墨和铁 - 渗碳体两个平衡体系共同建立的。即使是在铸铁中都能给你玩出花来。
石墨这个东西尽管会破坏铁的力学性能，但是这家伙导热极好，能缓解热应力。
还是石墨这个家伙，当铁水冷却时石墨析出，这个过程体积的膨胀的。而我们都知道热胀冷缩，所以石墨的析出恰好一定程度上对消掉了凝固收缩。这能让其他合金体系羡慕死。
石墨具有六方晶系的结构，拥有两个特殊的生长方向（a 方向：六边形方向，c 方向：垂直六边形方向）。这导致通过改变石墨生长方向可以赋予石墨不同的形态，于是就有了力学性能较差但是减震、传热和冶炼容易得灰铸铁，以及力学性能很好的球墨铸铁（某些性能堪比碳钢）。

对着元素周期表翻一遍，基本上找不出第二个元素能把这么多特点集合到一起。这也是为什么现在的金属材料体系分为钢铁材料和非铁材料（有色合金）两大块的原因。

另外，所有钢铁之外的金属材料加起来，使用量都远低于钢铁。所以通常分类是：铁、钢、有色合金。实际上几乎所有金属结构材料都能找到他的钢铁替代品（一般性能要差）。比如高温合金的替代品（耐热钢和铁基高温合金）、轻合金的替代品（轻质钢）等等。

哦对，人类到目前为止有且仅有一种材料的使用规模可以与钢铁相比，就是水泥。

所以曾经有这么一个段子，如果评选人类最重要的材料的话，钢铁和水泥花落谁家不好说，但是如果选两个的话，绝对找不出第三个候选......

应评论区要求继续更一下：

继续说一下铁，关于铁的冶炼。其实铁的另一个特点就是铁碳相图在碳含量为 4.3%左右时有一个共晶相变，相变温度只有 1148 度。这一温度甚至比纯铜的熔点都高不了多少。所以，熔炼铸铁非常容易。

而铁和碳这个组合我们前面已经说了，扩散是很快的。大家不要被固态扩散给吓到，相比于有色合金中的扩散，铁中的碳扩散可以说是飞速了（作为对比，氢扩散就可以说是光速了）。这就导致我们无论是给熟铁（近似认为是纯铁）加碳还是给生铁脱碳都相对容易。

这就让人类在获得熔炼钢的高温之前，就能获得钢。比如在凡尔纳创作的《神秘岛》中就介绍了两种主要的制造钢铁的思路：海绵铁锻打加碳和生铁脱碳。前者就是我们的老祖宗最开始的炼钢工艺，后者其实在网上更有名，大名鼎鼎的大马士革钢就是用这种原理生产的。这种方法的基本工艺是把生铁和高碳的铸铁或者高碳钢混合起来，或者用脱碳剂把（比如铁矿石）高碳铁包裹起来，然后锻打，实现脱碳。

（这个和锻造是不一样的，脱碳是主要目的，每次变形量很小，所以不容易开裂。当然了，当时也做不到大变形）

这种工艺在别的合金体系简直是不可想象的

而实际上还有一个其他合金体系羡慕死的特性：钢铁的主合金元素是碳，炼铁的燃料是什么？还是碳。炼铁的时候什么东西还原的氧化铁，一氧化碳。铁水也好，铸铁也好，脱碳用的是什么？氧（氧化物或者直接是氧气），焦炭燃烧用的是什么？氧！整套冶炼过程，无论是加热还是调节成分还是保护气氛，全在铁、碳、氧里面解决了。这简直梦寐以求好不好。

然后应邀更一下别的金属体系。先说人类文明的第一代金属材料：铜，我们大致上与铁对应的看。

铜是一个非常忠诚的面心立方结构金属，从室温到融化，坚定的站在面心立方这一面，与两面三刀的铁还有身在曹营的钒都不一样。面心立方的金属有个特点，就是非常容易变形，塑性和韧性极好，但是代价是强度不高、刚度不足。比如典型的金、银、铝都是这样的。实际上铜在常见面心立方金属中算是强度高的那一部分了，像金银这种货色都不配合铜比。所以铜非常容易进行压力加工、非常容易冲压。
面心立方赋予铜的另一个特点是铜中的位错非常容易产生但是也非常容易被消除。所以铜不适合工作在高温之下。即使进行过锻造的铜，也很容易在高温下回复从而造成性能崩溃。这导致铜合金的软化温度相对比较低，我们目前常见的铜合金通常都只能长时间用在 300 度或更低。（钢铁看了斜眼，铝合金看了泪目）
面心立方结构没有韧脆转变，所以不同担心它突然变脆了。
目前常见的铜合金体系基本都是面心立方的，没有相变，导致热处理手段很单一。实际上我们是可以给铜添加合金元素让他具有一个马氏体相变的，这玩意也有成果，比如铜基形状记忆合金。但是问题在于.....铜合金的马氏体相变相比钢性能上差很远，而且热处理工艺很费时。但是形状记忆是个好特性，不过铜基的转变温度一般很低（远低于 0 度的那种低）
铜的密度达到了 8.9，比铁高 12%，这个密度怎么说呢。说高不高，说低不低，就比较拧巴。尤其是高强度的铜合金实际上很难做到，所以他的比强度实际上太差。这点严重的限制了铜合金的用途。
如果不考虑矿的话，铜的冶炼非常容易！还原铜比还原铁容易的多。
所有的有色合金基本都有一个通病，就是没有明显的主要合金元素。作为对比，钢铁里主要合金元素不用看都是碳，哪怕是超低碳不锈钢里碳已经很少很少了，但你看名字就知道碳肯定有巨大的影响。而铜不行，目前铜的合金体系可以简单归类为 Cu-Al、Cu-Zn、Cu-Sn 及其变种合金。（伪合金我们就不讨论了）而这类合金都有一个问题，就是都有明显的优缺点，而缺点难以改进。
青铜（Cu-Sn 合金）是人类第一种能规模化冶炼的合金，从化学角度上来说青铜的耐海水、蒸汽和碱性溶液的腐蚀性非常优秀，但是从材料学角度来说青铜的力学和冶金性能稀烂无比，强度太低、铸造性太差，动不动就 Sn 偏析，一个不小心就需要热处理几十个小时进行均匀化（这在钢铁中是不可想象的）。
铝青铜（Cu-Al 合金）的性能要比青铜好，但是铝这个元素是个坑，冶炼太过困难。而且即使放弃冶炼困难的问题，铝青铜还有一个要命的缺陷“自动退火脆性”。Cu-Al 合金在 565 度左右（Al 11.8%）有一个相变，会形成一种脆性的 CuAl 金属间化合物。这个缺点并非不能解决，但是需要对成分和工艺都进行更好的控制（而且会引入对碳的敏感性）。另外说一句，高端船用螺旋桨一般就是 Cu-Al 合金系的，说明这个合金还是有他的优势的。而 Al 这个元素还有巨坑，就是熔炼的时候这家伙极易吸氧形成固体夹杂......那简直是冶金工程师的噩梦了......
黄铜（Cu-Zn 合金）外观漂亮、铸造简单、性能还也凑合。但是问题在于这家伙不能做热处理强化啊......工艺呆板了好多好多，性能自由度也低了很多。

所以铜比较尴尬的是作为结构材料，他的许多许多特性都很出色，但同时都有缺点难以克服。比如强度不高......说白了几乎所有的铜合金都死于强度不高。冶金学家是真的拿铜合金的强化没什么办法，你想啊一个强度到 400-500MPa 的铜都能称自己为高强度铜，一个强度 1GPa 的钢敢说自己是高强度钢吗（高强度钢的定义一般是是屈服强度＞1180MPa）

尽管铜的力学性能不能和钢媲美，但是铜在铁器时代并不是没有竞争力的。相比铸铁铜有两个有点，或者说是铸铁的缺点：

铜抗拉又抗压，而铸铁，尤其是灰铸铁不抗拉。原因是灰铸铁中出现的石墨切割了组织，导致额外的应力集中，所以灰铸铁面对拉应力的时候要打折扣；
铜的断裂韧性非常好，而铸铁的韧性不大行。尤其是抗冲击性能，铸铁远远逊色于铜，这事一直到球墨铸铁被发明才得到改善，导钢铁时代才完全解决。

所以古代铸造火炮的时候（古代的工艺下，火炮只能铸造），铜炮在一定程度上是优于铁炮的。但是古代铜合金的制备也远远不能和现在相比，所以铸造的火炮炸膛是家常便饭......即使是“天才”乌尔班本人死于火炮炸膛......

再简单说一下使用量最大的有色合金——铝：

铝的最大的缺点就是冶炼困难。电解铝没有大规模的电力基础想都不要想......
铝合金的高温性能非常差。毕竟对一个熔点只有 600 来度的家伙，不能期望他有很好的高温性能。所以但凡温度高点，比如 300 度，就不敢用铝。（高温铝合金一般也就用 200 左右温度）
铝合金的密度非常低。无与伦比的低（只有镁合金可以一战，但是......镁合金的性能......），这导致室温下铝合金的比强度其实还挺乐观。
铝也是面心立方结构，但是这个面心立方和铜还有点不一样。铝合金不容易形成孪晶（层错能很高），容易形成位错。当然，这也意味着铝很多性能接近铜，在高温下一样都是菜鸡。
最常用的铝合金体系是 Al-Si 合金，但是这货他严格来说是个伪合金......如果不是有变质工艺，Al-Si 合金根本就做不出来，而变质工艺依赖的 NaF、P 之类的......又得别的工业提供
几乎所有的 Al-Si 之外的铝合金体系都严重偏离共晶点，说人话就是铸造性能稀烂（相比于铸铁）。（Fe-C 系共晶点 4.3%，Al-Si 是 12.6%，Al-Cu 系是 33.2%，Al-Mg 是 35%.......没法看，完全没法看）
热处理工艺非常单一，其实铝合金常用的热处理基本就是时效、退火、固溶......手段单一，所以无法大幅度调节性能。

其实，铝合金和钛合金有很多相似的地方，都是在冶炼上吃亏......

当然，其实还有一个很多有色合金有的巨大问题，就是怎么连接。钢的可焊性其实相当不错（特种钢除外），但是有色合金的连接说多了都是泪啊......

当年臭鼬工厂为了搞钛合金的加工和连接，基本全部重新设计了全套的加工工艺......

实际上对比有色合金体系就会发现，有色合金中的合金元素基本都是代位原子，而铁中最重要的碳他是间隙原子，二者的扩散能力上有天壤之别。这也是像镍和钴这样的金属不能替换铁的原因

而且钢铁材料里加的合金元素真是少啊......碳他是真的给力啊......

最后从性能上总结来说，铁他是一个低配的六边形战士……样样都不是最好的，但是面板都有 80 分，加几个技能点就到 90+ 了。能输出能打野能肉盾能推塔能辅助

而其他大多数合金基本都是偏科战士……个别属性超过 100，但是某一方面太拉胯，基本就是个 50 分水平。技能点狂点也就加到及格线，打得了输出就打不了辅助……