奥氏体不锈钢设备被广泛用于石化、电力等行业,然而疲劳、过度变形等损伤一直是威胁其长周期服役安全的潜在因素,此类损伤的定量识别和有效检出是设备安全领域的研究热点和难点。传统的无损检测技术,如射线、超声、磁粉等,仅能有效检出裂纹、夹杂等材料缺失类缺陷,对于威胁更大的位错、滑移等微纳尺度损伤的早期检出无能为力。近期的研究表明,非线性超声对材料中微纳尺度的损伤如位错、滑移等较敏感。然而现有工作多局限于铝、铜等较简单的金属材料,是否可用于奥氏体不锈钢等工程结构材料和设备仍需进一步研究探讨。本文基于非线性超声波动理论,开展了利用非线性超声技术检测奥氏体不锈钢的疲劳、拉伸以及棘轮损伤的实验研究,得到了奥氏体不锈钢微观结构演化、材料损伤与超声非线性参量的关联,建立了混合位错与超声非线性响应的理论模型,为非线性超声技术用于奥氏体不锈钢设备的损伤早期检测与评价提供了基础。主要研究工作和结论如下：(1)基于位错理论的超声非线性与损伤关联模型。研究发现刃型位错与螺型位错对超声非线性的响应不同,刃型位错的超声非线性响应高于螺型位错,经典的位错模型忽略了二者的差异,造成较大误差。本文提出了超声非线性混合位错模型,与Hikata、Cash等人提出的超声非线性模型相比,所建立的混合位错模型更好地预测冷轧304不锈钢塑性变形导致的超声非线性参量变化。(2)拉伸载荷下奥氏体不锈钢塑性损伤的非线性超声评价。进行了304不锈钢不同塑性变形程度的拉伸试验,测量了不同塑性损伤的超声纵波非线性参量和瑞利表面波非线性参量,建立了超声非线性参量与塑性损伤(变形)的函数关联。基于TEM观察位错微观结构数据,利用混合位错模型对304不锈钢拉伸塑性损伤过程中超声非线性参量的变化进行了理论预测。结果表明,由于拉伸变形过程中位错增殖以及形变马氏体相增加,超声纵波非线性参量和瑞利表面波非线性参量均随塑性损伤的增加而增大；超声非线性参量增加率随塑性损伤增加而上升的现象与刃型位错比例分数的增加有关；两种非线性超声参量的应力指数存在差异,主要是由材料近表面和内部损伤分布的差异导致。(3)奥氏体不锈钢低周疲劳损伤的非线性超声评价。进行了应力控制下的304不锈钢低周疲劳实验,测量了不同疲劳损伤的超声非线性参量,提出了内应力相关的超声非线性位错单极子与偶极子模型。基于TEM观察的位错微观结构数据,利用该模型对304不锈钢低周疲劳损伤过程中超声非线性参量的变化进行了理论解释。结果表明：低周疲劳损伤与超声非线性参量呈非单调的关系；疲劳损伤第一阶段超声非线性参量的增加主要是由于平面位错状态位错单极子和偶极子密度的上升,而第二阶段超声非线性参量的下降主要是由于伴随着位错墙和位错胞结构的形成而导致的位错单极子密度下降和偶极子高度减小。(4)奥氏体不锈钢循环软硬化行为的非线性超声技术表征。将应力控制下304不锈钢低周疲劳损伤过程中超声非线性参量与应变幅演化进行关联,发现304不锈钢低周疲劳第一次循环硬化和循环软化行为导致超声非线性增加,而二次循环硬化行为却引起超声非线性下降。这两种循环硬化行为导致不同超声非线性响应的原因在于硬化机制的差异。第一次循环硬化过程中超声非线性的增加是由于平面位错状态下位错密度的增加所导致；而二次循环硬化过程中超声非线性的下降在于位错胞结构的形成和发展,另外,马氏体相对超声非线性的增加也产生了一定影响,具体取决于加载应力幅。(5)奥氏体不锈钢棘轮损伤的非线性超声评价。进行了304不锈钢的棘轮损伤实验,测量了棘轮损伤的超声非线性参量,结合相同应力幅加载情况下疲劳损伤的超声非线性参量变化,对棘轮损伤过程中超声非线性演化规律及其内在机理进行了探讨。结果表明：棘轮损伤初期超声非线性参量显著增加是由于平面位错结构中位错密度的增加,而随后下降是因为形成了位错墙和位错胞结构,最后超声非线性的温和上升则与马氏体相的形成有关；与相同加载条件下疲劳损伤超声非线性参量演化相比,棘轮损伤的超声非线性参量总体要大,但是超声非线性峰值出现的周次更晚,这与棘轮损伤过程中产生了更多的位错和马氏体相且位错演化速度更慢有关。(6)奥氏体不锈钢损伤模式与超声非线性响应关联的探讨。对拉伸塑性损伤、疲劳损伤和棘轮损伤模式下不同损伤程度试样进行力学性能分析,并将其超声非线性参量与屈服强度进行关联。结果表明：超声非线性参量对拉伸、疲劳和棘轮损伤304不锈钢强度存在不同响应,其中对疲劳损伤导致的强度变化响应最为显著,其次为棘轮损伤,最后是拉伸塑性损伤。主要原因在于304不锈钢强度与超声非线性参量对不同损伤模式下材料微观组织的响应不同,强度对于马氏体相变量的敏感性高于超声非线性参量的敏感性。