在全球范围内，建筑和基础设施部门占钢铁产量的 50% 以上。2019 年的产量约为 935 Mt [1]，其中估计至少有 150 Mt 为热轧梁和型材。这些钢材吨位的价值接近 1000 亿美元，其中绝大多数达到商品级，屈服强度范围为 235~355MPa，并且主要形式为小型和中型型材（单位为 kg/m）。
这类钢产品不属于高强度钢，并且作为商品级具有生产成本高度敏感性（即，铁矿石和铁合金的原材料、能源、废金属和排放输出）。对于铁合金，这些钢产品需要添加锰 (Mn) 来满足最低强度要求，尤其当屈服强度接近 355 MPa 和/或更大型材尺寸（即，kg/m 增大）时。此外，由于锰含量存在上限，通常使用钒 (V) 微合金化方法满足所需的产品比强度。
由于这两种元素广泛用于炼钢，钒也用于其他非钢铁行业，因此其价格可能会随市场需求而大幅波动。一直以来，此类价格波动已得到充分证明，并直接影响钢铁日常生产成本以及每吨钢铁可实现的利润率。
铌 (Nb) 的使用一直是热机械™加工和高强度低合金 (HSLA) 钢的代名词，因此，在轧制过程中添加铌后可以充分延迟奥氏体的重结晶进程。随着奥氏体逐渐减少，形成薄饼状形态，再转变为更细度的铁氧体晶粒，从而提高屈服强度和改进的低温韧性。
因此，目前铌并未广泛用于商品级结构钢，主要是因为其无需较高强度或无需满足较高低温韧性要求。但是，根据最新的和现有的已发表研究和实践，超低铌添加量（即，≤0.010 重量百分比）可直接减少此类商品级结构钢中的锰和/或免于添加钒。重要的是，这种替代方法无需改变现有的轧制程序（即，无需热机械轧制或更高要求的再加热做法），并且能够大幅节省成本。
图 2奥氏体晶界面积对铁氧体晶粒尺寸和屈服强度贡献的影响。改编自文献[4]。
虽然该温度可能仍略低于典型的梁钢和型材精轧温度，但是其更接近 Tnr，因此更有利于形成更细度的商品级结构钢。有效奥氏体界面面积 (Sv) 将增加，考虑到其他强化贡献因素（例如，锰和/或钒含量）的减少，最终将能产生更细度的铁氧体晶粒（并提高强度）（见图 2）。
此外，由于未完全达到 Tnr 区域，所添加的铌仍应主要以溶质形式存在，因此在转化和冷却过程中发挥一定的沉淀强化作用（与钒的作用类似）。如图 3 所示，屈服强度增量取决于微合金。 在转化之前以溶质形式存在的数量以及所使用的微合金类型。此处很明显，从重量 % 溶质的角度，铌的强化作用比钒更强。在本例中，需要两倍的铌才能达到与铌相等的贡献（即，铌钒比为 1:2）。
但是，需要注意的是，强化程度也受转化过程中冷却速度的影响，因为该速度会影响析出物的尺寸和体积分数。图 4 显示，即使考虑到这一点，铌的有效度仍然比钒高 1.6~2.5 倍（取决于冷却速度），该图可作为图 3 中提供数据的补充。
图 3溶质微合金化含量对沉淀强化屈服强度增量的影响。改编自文献 [5]。 虽然可以用钒取代铌进行直接比较，但是，一旦需要考虑锰的影响，结论就并非那么简单。除了有助于固溶强化（每重量%的贡献率较低），锰可以降低奥氏体（即，Ar3）的分解温度（有报告称每重量 % 添加量的温度可达 80ºC），从而对铁氧体反应的动力学产生明显的影响 [8]。因此，它通过加大成核点来支持一定程度的铁氧体晶粒细化，从而提高屈服强度。因此，在调整锰含量时，必须考虑这两种机制共同造成的潜在强度损耗。
图 4冷却速度对每单位屈服强度增量下铌钒比的影响。改编自文献 [6]和 [7]。 
图 5在 900ºC 基础上增加锰含量对正火钢主要强化成分的影响。改编自文献[9]。 根据上述关系可以构建一个图表，作为初步指南，用于确定在保持 355MP 最小屈服强度的同时可以被铌替代的锰含量 [6]。图 6 显示了一个有效示例，其中锰含量从 1.50 减少到 1.20 重量 % 将导致预测平均损耗达到 26MPa。这反过来将需要添加 0.006 至 0.008 重量 % 的铌。
根据这些指南，对于屈服强度 ≤355MPa 的商品级结构钢，替代0.35 重量 % 的锰、0.020 重量 % 的钒或 0.15 重量 % 的锰 +0.010 重量 % 的钒应添加 0.0080 至 0.0100 重量 % 的铌（最大值）。
最后，应指出的是，当首次尝试采用上述超低铌添加量的新方法（商品级结构钢，屈服强度≤355MPa）时，强烈建议铌添加量应取上限值，以确保满足最终的力学性能。在此基础上，铌含量才能逐渐降低直至进一步优化整体合金设计（包括进一步减少锰含量）
参考文献
1. 世界钢铁协会。
2. L.J.Cuddy，“热变形过程中微合金浓度对奥氏体重结晶的影响”，《微合金奥氏体的热机械加工》，AIME，1981年8月1~19日，第129~140页。
3. M.Gómez等人，“铌微合金化钢热轧过程中静态重结晶的驱动力和钉扎力测定”，日本钢铁协会，第45卷，第11期，2005年，第1666~1675页。
4. A.Sandber和W.Roberts，《瑞典金属研究所报告》（编号IM-1439），1980年。
5. L.Meyer、F.Heisterkamp和W.Mueschenborn，“正火、热机械处理和冷轧钢中的铌、钛和钒”，《微合金化75》，UnionCarbide，1975年，第153~167页。
6. J.H.Bucher、J.D.Grozier和J.F.Enrietta，《关于断裂 的高级论述》，HLiebowitz编，第六卷，学术出版社，1969年，第247~298页。
7. J.Patel，“在≤355MPa结构钢梁和型材中使用铌来节省钢铁合金成本”，SEAISI，《电子会议论文集》，2020年9月30日。
8. K.R.Kinsman和H.I.Aaronson，“钢的转化和淬透性”，ClimaxMolybdenumCo.，密歇根州安娜堡，1967年。
9. T.Gladman、D.Dulieu和I.D.McIvor，“高强度微合金钢的结构-性能关系”，《微合金化75》，UnionCarbide，1975年，第32~54页。
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