棘轮效应是材料在非对称应力控制循环加载中塑性变形的循环累积。棘轮效应会导致构件疲劳寿命的减少或者使构件的变形超过了限制而不能正常工作,是结构可靠性评价以及寿命评估中必须要考虑的问题。经过几十年的努力,国内外学者对金属材料的棘轮行为进行了大量的实验研究,描述棘轮行为的本构模型也得到了很大的发展。然而,大部分的宏观实验和理论研究,很少涉及材料棘轮变形的微观机理和基于微观机理的本构模型研究,发展的本构模型有各自的局限性,对棘轮行为的预测各有优缺点,仍然需要继续发展。因此,本论文进行了以下研究工作:1.在室温下,对6061铝合金材料开展了单轴应变控制循环和单轴非对称应力控制循环的实验研究,研究了该材料在单轴应变控制循环加载条件和单轴非对称应力控制循环加载条件下的应力应变演化规律。研究结果表明:材料在承受单轴应变控制循环加载时,在循环初期响应应力幅值会迅速增大,随着循环的累积,响应应力幅值基本保持不变,响应应力幅值趋于稳定状态;单轴非对称应力控制循环加载时,棘轮应变随着平均应力和应力幅值的增大而增大,随着应力比的减小而增大,并具有平均应力和应力幅值加载历史依赖性,且受到应力加载速率、加载波形以及蠕变的影响。实验研究为后续建立本构模型对棘轮行为的模拟和预测提供了参考数据。2.在小变形晶体塑性的框架下,基于位错微观机制,建立了一个新的循环晶体塑性本构模型。通过对Chaboche非线性随动硬化模型的改进,为减弱动态恢复项的影响引入了幂函数和临界面,结合与位错机制相关的Kocks-Mecking-Estrin各向同性硬化率模型,构建了单晶尺度上的循环晶体塑性本构模型。采用单晶到多晶的显式过渡法则,将该模型拓展到了金属多晶体,用来描述金属多晶体的棘轮行为。采用显式数值积分算法,推导出数值积分所用的公式,将该模型嵌入数值软件MATLAB中。然后确定相关材料参数,改变相应工况条件进行了模拟和预测,把通过和相关实验数据的对比,讨论了该本构模型在描述金属多晶体棘轮行为方面的优缺点。