沉淀硬化型镍基高温合金GH738是航空发动机涡轮盘等关键构件的主要材料之一。在构件制造和服役过程中,组织演变导致材料性能劣化,易对航空构件的安全性和稳定性造成严重威胁。现有超声无损检测技术在对GH738微观组织及力学性能演变进行有效检测与表征时,存在实验数据少、表征关系或影响规律未探明等问题,在GH738组织及性能演变过程中,对超声线性、非线性特征变化规律进行研究具有重要意义。对GH738合金锻造试样进行固溶、稳定化、时效和模拟钎焊处理。通过金相法获取不同热处理状态GH738试样晶粒和γ′强化相的微观组织特征参数,分析与总结GH738组织演变规律。通过超声与力学性能实验获得材料线性、非线性超声特征参数和力学性能参数,从微观组织方面对材料声学特性和力学性能的变化做出分析与解释。经参数相关分析和关系拟合,建立使用线性和非线性超声特征参数对材料微观组织及力学性能进行有效表征的单参数、多参数模型。研究表明:材料组织演变过程中,晶粒形貌和γ′强化相的种类、尺寸和含量发生明显变化,会引起材料声学特性和力学性能的响应变化。其中,纵波衰减系数随晶粒尺寸增大而增大,可用纵波衰减系数对晶粒直径进行单参数表征,最大误差为3.13μm;纵波声速与洛氏硬度存在良好的正相关关系,使用超声纵波声速对材料洛氏硬度进行单参数表征,最大绝对误差为3.97HRC;非线性系数与位错密度有关,受强化相钉扎效应和位错切过或绕过机制的综合影响,与同样受到γ’强化相尺寸、含量和位错密度影响的杨氏模量、剪切模量相关性良好,使用非线性系数对杨氏模量和剪切模量进行单参数表征,最大误差分别为1.25GPa和0.54GPa。综合非线性系数、纵波声速、衰减系数、横波声速、底波频率偏移和背散射信号强度等参数,分别对晶粒直径、晶界宽度和洛氏硬度进行超声多特征参数表征,最大误差分别为2.30μm、0.79μm和3.02HRC,平均绝对误差分别为0.68μm、0.23μm和0.91HRC,提高了晶粒直径和洛氏硬度的超声单参数表征精度。研究结果可以用于GH738材料微观组织和力学性能的无损表征,对GH738构件质量的超声检测与评价有重要的工程应用价值,所采用的研究方法对其他热处理工艺的GH738或其他高温合金的组织均匀性检测和性能评价有一定借鉴意义。