通過細化晶粒而使金屬材料力學性能提高的方法稱為細晶強化。細粒強化是眾多材料強化方法中唯一可在提高強度的同時提高材料塑性、韌性的強化方法。其提高塑性機制為：晶粒越細，在一定體積內的晶粒數目多，則在同樣塑性變形量下，變形分散在更多的晶粒內進行，變形較均勻，且每個晶粒中塞積的位錯少，因應力集中引起的開裂機會較少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量。其提高強度機制為：晶界增多，而晶界上的原子排列不規則，雜質和缺陷多，能量較高，阻礙位錯的通過。在大量試驗基礎上，建立了晶粒大小與金屬強度的定量關系，根據Hall-Petch公式：

　　σs=σ0+ad-1/2

　　式中σ0和a為常數，d為晶粒直徑。一般來說，晶粒越小強度越大。

　　細化晶粒的基本途徑是形成足夠多的晶核，使它們在尚未顯著長大時便相互接觸，完成結晶過程。

　　1、提高過冷度；金屬結晶的形核率N，線長大速率G和過冷度的關系如圖。

　　2、變質處理。外來雜質能增加金屬的形核率或阻礙晶核的長大。在澆注前向液態金屬中加入某些難容的固體顆粒，會顯著的增加晶核數量，使晶粒細化。如：Al、

　　Ti、Nb、V等元素在鋼中形成強碳化物或氮化物，形成彌散的分布顆粒來阻止晶粒的長大。

　　3、在澆注和結晶過程中實施攪拌和震動，也可以細化晶粒。攪拌和震動能向液體中輸入額外的能量以提供形核功；另外，還可以使結晶的枝晶破碎，增加晶核的數量。

　　4、熱處理細化晶粒。一旦形成了粗晶粒，只要是境界上沒有很多難熔析出物，通過一次或者多次奧氏體化，可以使晶粒細化。