棘轮效应是材料或结构在非对称应力控制循环载荷下产生的一种塑性应变的累积现象。棘轮变形的产生将会导致结构变形超限或者疲劳寿命降低而不能正常工作,需要在结构设计和寿命预测时予以重点考虑。近30年来,国内外的许多学者对金属材料的棘轮行为开展了广泛的实验研究和理论描述。然而,绝大部分的研究都是宏观实验研究和基于宏观实验唯象地对棘轮行为进行理论描述,很少涉及到不同晶体结构材料棘轮变形的微观机理以及基于微观机理的本构模型研究。由于没有考虑棘轮变形的微观机理,目前已有的本构模型都有各自的局限性,不能对棘轮行为进行全面而准确的描述,过多的材料参数也限制了此类本构模型的工程应用,仍需大力发展。为此,很有必要首先对材料在单轴和非比例多轴下棘轮变形的微观机理进行深入和系统的研究,获得棘轮变形过程中微结构的演化规律,揭示材料棘轮变形的微观机理,进而建立基于微观机理的、全新的循环本构模型,提高对金属材料棘轮行为的预测能力。为了对不同晶体结构的多晶材料的棘轮变形微观机理进行系统的研究和建立基于微观机理的循环本构模型,本论文开展了以下研究工作：1.室温下,对两种多晶材料(面心立方低层错能的316L不锈钢和体心立方高层错能的20碳钢)开展了系统的单轴、非比例多轴应变控制和非对称应力控制循环实验研究。讨论了两种材料的应变循环特性、应力水平和加载路径对棘轮变形的影响,同时为研究棘轮变形微观机理的微观实验观察提供了试样以及为基于微观机理的本构模型的研究提供了实验基础。2.在宏观实验的基础上,针对同一加载工况下不同循环周次的一组试样,通过透射电子显微镜观察了棘轮变形不同阶段材料内部典型的位错亚结构及其演化规律。通过与单轴拉伸和对称应变循环过程中材料内部位错组态及其演化的对比,对两种材料的单轴、非比例多轴棘轮变形的微观机理进行了定性的解释。这部分研究工作对比了两种不同晶体结构多晶材料棘轮变形的微观机理,得到了一些对于揭示立方晶体多晶材料棘轮变形微观机理有用的结论,同时给建立基于位错机制的棘轮本构模型提供了物理基础。3.在循环变形的宏观实验结果和微观机理研究的基础上,引入了棘轮变形的位错机制,在小变形晶体塑性框架下,改进和发展了一个新的晶体塑性循环本构模型,对两种多晶材料的棘轮行为进行了模拟和预测。模型中引入了修正的与位错演化相关的Armstrong-Frederick非线性随动硬化演化率,同时采用与位错短程交互作用相关的临界剪应力来描述各项同性硬化。新发展的模型能对面心立方316L不锈钢和体心立方20碳钢的单轴和非比例多轴棘轮行为进行合理的描述；同时模型的单晶形式能合理预测了两种材料在单晶层次上的棘轮行为,反映单晶棘轮行为的晶体学取向和应力水平依赖性。