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伴随着国民经济的快速发展,我国原油需求量逐年增加。经过多年开采,我国油田的井深和井液腐蚀性(H2S、CO2和NaCl等)均呈上升趋势。抽油杆是开采原油过程中的关键提升部件。在低成本的前提下,提高抽油杆的强度、韧性、耐腐蚀性能和抗腐蚀疲劳性能是抽油杆用钢的重要发展方向。国外H级(高强度级别)抽油杆用钢主要采用Ni-Cr-Mo系调质合金钢,其成本较高；国内主要采用高Mn含量的Si-Mn-Mo系非调质贝氏体钢,成本有所下降,但组织和力学性能不稳定。本文基于粒状贝氏体强韧化机制,兼顾淬透性和耐蚀性,设计了一种低成本的Nb微合金化高Cr低Mo的Si-Mn-Cr-Mo-B系低碳贝氏体抽油杆用钢。通过大量实验室研究、工业生产实践和用户应用,最终成功开发了一种综合力学性能优良、性能稳定的H级贝氏体抽油杆用钢。用这种钢加工制成的抽油杆抗拉强度Rm≥1000MPa、伸长率A200≥10%、冲击功Aku2≥60J,满足了H级抽油杆的标准要求。主要工作内容如下：利用Gleeble-2000热模拟试验机,研究了含Nb低碳贝氏体钢的热变形奥氏体晶粒的再结晶行为、变形后至贝氏体相变前奥氏体晶粒的长大行为以及冷却速度对贝氏体相变行为的影响。研究表明,由于棒线材轧制节奏快,轧制过程中无Nb(C,N)析出；降低终轧温度可细化相变前的奥氏体晶粒；轧后空冷过程中的Nb形变诱导析出会抑制贝氏体相变过程中的组织长大。进行了低碳贝氏体钢形变奥氏体连续冷却过程中相变组织的热模拟试验研究。结果表明,本试验钢在很宽的冷速范围内均获得单一的粒状贝氏体组织。根据热模拟试验结果,进行了轧制工艺试验,确定了最佳的轧制工艺方案。此外,对设计的低碳贝氏体钢进行了腐蚀疲劳性能分析。研究表明,本试验钢的腐蚀疲劳裂纹扩展遵循氢致裂纹机制,裂纹的扩展涉及氢向裂尖的输送和金属内部的扩散。含硅高的低碳贝氏体钢由于贝氏体铁素体板条间残余奥氏体膜对氢致裂纹的扩展有明显的抑制作用,因此降低了氢致裂纹的扩展速率,表现出较好的抗腐蚀疲劳性能。研究了低碳贝氏体钢回火温度对塑性、韧性的影响机理。研究表明,将回火温度从300℃升高至400℃,残余奥氏体量减少,但残余奥氏体的稳定性增强。稳定的残余奥氏体有利于增加裂纹扩展所需的能量,从而改善了钢的塑性和韧性。继续将回火温度升高到500℃时,残余奥氏体发生了转变或分解,导致塑性和韧性变差。最后对本试验钢与20CrMoA钢进行了挂片腐蚀的比对试验,并讨论了低碳贝氏体钢的耐腐蚀机理。基于上述研究成果,本文自行设计开发的15Cr2SiMnMoNbA抽油杆用钢成功投产,已向市场供货1400吨。产品成功用于加工H级抽油杆光杆,并已在油井运行,运行情况良好。15Cr2SiMnMoNbA钢也已纳入国家标准GB/T26075-2010。