在锅炉、汽轮机等高温工艺管线及构件中,珠光体型耐热钢得到了极为广泛的应用,其研究与发展对动力、石油化工工业的进步产生显著的影响。在高温、应力及其它因素的长期作用下,室温下的稳定组织产生变化。珠光体球化、石墨化等组织转变导致钢的力学性能下降,设备安全运行的可靠性降低；随着使用温度的升高和服役时间的延长,组织退化过程加快、性能劣化程度加剧,并最终造成构件发生蠕变断裂而失效。对超声波而言,被检材料如同滤波器,当一窄脉冲超声波信号与其发生相互作用时,晶粒尺寸、组织结构等方面的差异,使得超声波的散射、反射、透射等传播特性受到程度不同的影响,各种因素的综合作用改变了信号的传播方向、振动幅度及相位。因此,通过完善超声学参量测试系统,提取可用于描述组织结构的超声信号特征,研究超声波在不同组织结构中的传播机制,开发组织结构模式识别系统,不仅可以实现对材料组织结构的超声无损评价,也为将定量超声无损检测与评价付诸于工程应用,提供科学的、行之有效的技术途径。研究内容涉及材料学、统计学、信息学以及模糊数学等多个学科、多个领域中的一系列科学问题。依托“石油化工装置高温压力工艺管线剩余寿命预测”项目,本课题以超声学、材料学以及信息学知识为理论依据和研究手段,从工程实用性角度探讨了利用超声信号特征参数无损表征组织结构的可行性与方法,开展了“20钢高温时效组织模式识别”及其相关问题的研究。通过对材料超声无损评价与表征研究的概括与总结,论文的第一、二章论述了本项工作的研究意义,提出了切实可行的实验方案和研究方法。结合对20钢高温时效过程中组织结构演变以及结构单元平面特征变化的观察与统计,第三章分析并讨论了声速、弹性模量与时效组织结构的相关性；依据能量损伤理论,探讨了以损伤因子D,无损表征20钢高温时效组织损伤的可行性。应用超声学相关理论,第四章论述了20钢高温时效组织结构转变对超声波传播特性的影响作用。鉴于探头接收的回波信号可视为由不同频率的简谐波组成的复合信号,包含了诸多表征材料状态的有用信息,故在第五——七章开展了利用超声信号特征进行20钢高温时效组织结构模式识别及其相关问题研究的初步探索。取得如下研究结果：1.超声波速度与20钢高温时效组织结构有较为明显的相关性。随着时效时间的延长,超声波纵波与横波速度均以指数规律递减,其原因在于：组织结构转变影响材料的弹性模量。因此,利用声弹性能无损表征20钢高温时效组织结构转变是可行的。2.依据能量损伤理论,提出了以损伤因子Dv无损表征20钢高温时效过程中的组织损伤,这有望成为一种微结构退化的无损表征方法。实际检测中,通过对超声波纵波速度进行准确测量,即可实现对组织退化、性能劣化程度的无损评价。3.通过频谱分析,在频域提取简谐波系数作为组织结构辨识的基本参数,以主成分分析进行特征参数的优化选择；应用最短距离准则,开展了20钢高温时效组织结构的聚类分析,识别率不低于84%。4.将多尺度小波变换应用于时效组织超声信号分析中,提取小波变换系数列向量最大值作为特征参数,设计并选择BP网络结构参数,以Matlab软件为工具,构造了适用于组织模式识别的BP神经网络,对20钢高温时效组织的平均识别率可达86.7%,对1Cr5Mo和30Mn2SiV组织结构转变的平均识别率分别达到85%和89%。