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棘轮效应是指材料构件在非对称应力循环载荷的作用下，沿着平均应力方向产生累积性的塑性变形现象。而单轴棘轮行为即材料受到单轴的非对称应力循环加载而产生的累积性塑性变形。金属棘轮行为一直是国内外专家学者们研究的热点，也展开过很多实验研究，取得了很多重要进展，而在棘轮变形的微观机理方面，并没有得到大家的关注。30428
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1宏观实验研究
近年来多学着在不同温度下对多种工程材料的棘轮行为进行了大量实验研究，Kang[4-8]，McDowell[9]，Hassan[10-11]，Yang[12]，Mizuno[13]，田涛[14]，康国政[15]，Jiang[16-17]等在室温下对304不锈钢、316L不锈钢、纯铝、紫铜、1Cr18Ni9Ti、CS1020碳钢、CS1026碳钢、U71Mn轨道钢和1070钢等FCC和BCC晶格结构材料，进行了系统的单轴和多轴实验研究，对金属棘轮变形的基本规律和特征得出了一些重要的结论：论文网
（1）材料的循环特性对对材料棘轮行为具有明显的影响，材料的循环软化对棘轮变形起促进作用，而材料的循环硬化对棘轮变形起抑制作用。
（2）对材料施加的应力水平对材料的棘轮行为起决定性作用，棘轮应变和应变率会随着平均应力和应力幅值的增大而增大，而应力比增大时则减少，Kang[20-21]和张娟[22]在304不锈钢棘轮行为研究中发现，加载历史也对棘轮变形也有很大影响。
（3）加载路线对多轴棘轮变形有显著影响，非比例多轴加载路径下明显的非比例附加硬化会抑制多轴棘轮变形的产生。
（4）Kang[20-21]和刘宇杰[22]等在对退火和调质42CrMo钢的全寿命棘轮行为研究中，将棘轮变形的演化划分为三个阶段：棘轮应变率随周次增加而逐渐下降阶段；棘轮应变率保持不变，棘轮应变保持稳定增长阶段；棘轮变形加速破坏阶段。
（5）张娟[19]、Kobayashi[23]、Ohno[24]、Ruggles[25]和Kang[26]等在进行高温下金属棘轮行为的研究中，实验结果显示，不同温度下的棘轮行为有显著的差异。
同时，随着现在越来越多的新型材料的出现，也有很多学者将棘轮行为的研究目光转向一些新型功能材料。例如Kang[27]和阚前华[28-29]等对形状记忆合金NiTi的实验研究中，根据形状记忆合金的独特变形机制提出了相变棘轮的定义。Xiong[33]通过对挤压状态下的ZK60镁合金分别进行了应力和应变控制的循环实验研究，得到了在不同应力施加状态下，材料的棘轮变形机制有所不同的结论。
综上所述，目前对金属材料的单轴和多轴棘轮行为的实验研究有很多，也得到了一些材料的棘轮变形的演化规律和影响因素。然而，对于不同晶体结构材料的高周次棘轮行为的研究，还是很少。所以对目前还不被大家关注的合金材料进行全面地宏观实验研究和微观机理研究是很有必要的。
2 微观机理研究
金属材料大多为多晶体结构，金属之间的晶体结构差异对金属的疲劳性能和变形机制具有很大的影响。常见的三种金属晶体结构有三种：面心立方（FCC）,体心立方（BCC），密排751方（HCP）。大家都知道，单晶体塑性材料的变形机制主要有两种：滑移和孪生。其中面心立方和体心立方结构材料由于其空间点阵的高度对称性，滑移系较多，因此易于发生位错滑移。但对于对称性较低而滑移系较少的密排751方结构材料，孪生和滑移则共同主导材料的塑性变形。
位错作为金属材料塑性变形的主要机制之一，很多学者都都对其特征开展了深刻的理论研究。但是，材料在发生塑性变形时，内部的微观结构往往是以位错脉络、位错墙、驻留滑移带、位错胞和亚晶等位错集团的形式出现的。这些由位错线构成的高度有序的空间周期性结构被称为位错组态或位错花样。而材料的性质和载荷的加载方式与其有密切的关联，在塑性变形中，位错运动及其亚结构的演化直接影响金属材料的应力-应变响应，因此对位错组态演化的研究，能帮助我们深入地了解金属材料塑性变形的微观机理，进而指导结构材料的设计和对材料力学响应的模拟。Laird[37]对单晶铜的循环实验表明，单晶铜的对称循环剪应力-剪应变曲线不依赖于晶体学取向，呈现典型的三个阶段的硬化特征，如图1-1所示：