根据具有多种相结构合金钢不同热处理转变产物的组织特点，以及超声波在其中的传播规律，利用超声波速度、相对衰减系数以及功率谱分析三种方法，对三种钢（40Cr、38CrMoAl及GCr15SiMn）不同热处理（正火、淬火／退火、淬火+低温回火及淬火+高温回火）转变产物的显微组织进行了超声表征研究。比较了三种表征方法区分不同组织的灵敏度及特点，并提出了合金钢显微组织超声无损表征应遵循的多方法、多参量的原则。 利用TI-40N高精度超声波测厚仪，研究了超声波在不同钢种、不同热处理转变产物中的超声波速度C₁:38CrMoAl钢淬火组织C₁最小，淬火后在200℃～650℃范围内进行回火处理时，随回火温度的升高，C₁逐渐升高，HRC与C₁之间具有较好的相关性；正火组织的C₁介于淬火后中温回火及高温回火产物组织的C₁之间。40Cr钢不同显微组织C₁变化规律与38CrMoAl钢相似。GCr15SiMn钢淬火+低温回火组织的C₁远大于正火、退火及淬火+高温回火组织的C₁；正火、退火及淬火+高温回火组织的C₁比较接近。不同显微组织弹性模量的差异，可能是造成上述实验结果的主要原因。 在保证试样形状、尺寸、表面光洁度、系统参数设置、施加在探头上的压力以及耦合层厚度等测试条件一致的情况下，利用棒材圆柱面测衰减系数法，分别测定并比较上述不同热处理试样相对衰减系数的变化情况，得到的实验结果是：对于40Cr及38CrMoAl钢，α_低温回火＜α＿（淬火）＜α_高温回火＜α_正火；对于GCr15SiMn钢，α_低温回火＜α_退火＜α_高温回火＜α_正火；且随着频率的提高，衰减系数均呈现增加的趋势。研究表明，通过比较圆柱面法测得的相对衰减系数，能够对具有多种相结构的较大尺寸合金钢试样进行超声表征。该方法克服了绝对衰减系数测定法对实验条件要求极为苛刻、难以实现的不足，使得超声表征技术更接近工程条件、更具实用价值。 利用窄带信号频谱分析技术灵敏度高的突出优点，选取中心频率为1MHz的窄带超声信号，对上述不同热处理试样进行超声功率谱分析，发现不同热处理产物在功率谱主频率、谱峰特征（幅度、数量、分布）等方面，都存在不同程度的差异。由此提出，可以把超声波窄带功率谱技术用于多相结构合金钢显微组织的超声表征。 超声波速度、相对衰减系数及功率谱分析三种方法，各自独立；同时，三种方法区分不同组织的灵敏度不同，实验结果能够互为补充。38CrMoAl钢的淬火与淬火+低温回火组织，用声速法和主频率比较法都难以区分，最好的方法是比较功率谱谱峰特征（幅度、数量、分布）。而对于利用比较谱峰特征（幅度、数量、分布）无法区分的GCr15SiMn钢退火与正火组织，则可以利用相对衰减系数法进行比较。 分析三种方法的研究结果认为，对于合金钢这类具有多种相结构的材料，应综合运用多种方法、提取多个参量，从不同角度进行对比表征，才能得出全面可靠的结论。