细晶强化的关键在于晶界对位错滑移的阻滞效应。位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之晶界区域杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒，而且要满足晶界上形变的协调性，需要多个滑移系统同时动作。这样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起了强度的增高。因此，晶粒越细小，晶界越多，位错运动受到阻滞，需要加大外力才能使滑移继续，从而使材料的屈服强度增大。另外，位错在晶体中是三维分布的，位错网在滑移面上的线段可以成为位错源，在应力的作用下，此位错源不断放出位错，使晶体产生滑移。位错在运动的过程中，首先必须克服附近位错网的阻碍，当位错移动到晶界时，又必须克服晶界的障碍，才能使变形由一个晶粒转移到另一个晶粒上，使材料产生屈服。因此，材料的屈服强度取决于使位错源运动所需的力、位错网给予移动位错的阻力和晶界对位错的阻碍大小。所以，晶粒越细小，材料的屈服强度就越大。铜和铝的屈服强度与晶粒尺寸之间的关系如图所示。

铜和铝的屈服强度与晶粒尺寸之间的关系

细晶强化服从霍尔-佩奇（hall-petch）公式，即晶粒大小与金属材料强度的定量关系，一般表达式为：

式中为流变应力；为晶格摩擦力；为晶粒直径；为与材料有关的参数。大量研究结果表明，此关系式可适用于整个流变范围直至断裂，仅参数和有所不同。

细晶强化的效果不仅与晶粒大小有关，还与晶粒的形状和第二相晶粒的数量和分布有关。欲取得较好的强韧化效果，应防止第二相晶粒不均匀分布以及形成网状、骨骼状、粗大块状、针状等不利形状。

细晶强化在金属材料生产过程中得到广泛应用。在铸造时，晶粒大小取决于形核率和长大速率，任何使形核率提高和长大速度降低的因素均可使晶粒细化。对较小的铸锭，常用的方法是增大冷却速度以提高结晶时的过冷度，从而提高形核率。对较大的铸锭，常采用机械振动、电磁振动、超声波处理等方法，使正在生长的晶粒破碎并因此提供了更多的晶粒，从而细化晶粒。更常用的方法是向熔体中加入适当的变质剂（孕育剂），它们均匀地分布在熔体中，或作为非自发形核的固相基底使形核率大大提高（如在含锰的铝液中加入钛）或被吸附在正在生长的晶粒表面，阻碍晶粒长大（如在AlSi合金熔体中加入钠盐）；或与晶体发生化学作用，使晶粒的形状发生改变。在生产过程中，还可以通过塑性加工、退火、热处理等工艺细化组织。对材料进行大变形量塑性变形然后进行低温、短时再结晶退火，可以细化晶粒。在热处理过程中采用快速加热技术和适当的热处理工艺，也可以细化组织。