喷丸是一种利用剧烈塑性变形过程制备细晶材料的方法，沿试样厚度方向形成具有性能梯度特征的材料。本文首先对纯铜在高能气动喷丸实验机上进行实验研究，利用表面粗糙度仪、显微硬度仪、光学显微镜和电子背散射衍射技术进行观察；然后对喷丸过程进行量纲分析，并利用有限元模拟研究改变无量纲参数的影响；最后从微观力学的角度探讨了细晶材料的力学行为。　　 本文的实验结果表明试样表面粗糙度随着处理时间的增加呈现指数衰减的趋势；晶粒尺寸随着距试样表面距离的增加而增加，且随着处理时间的增加，细化的程度会越来越明显。材料的硬度从原始的580MPa提高到1.25GPa。为了更好地了解喷丸过程，本文利用VB编制随机碰撞的子程序并调用有限元软件Ansys/ls-dyna实现丸粒的碰撞过程。模拟时所选用的材料参数均为本文的实验所得，并将模拟结果与实验值进行比较。结果表明模拟结果和实验值吻合较好。量纲分析讨论喷丸过程得到五个无量纲参数，利用有限元模拟研究无量纲参数的影响。一般认为，当晶粒尺寸大于50nm时，位错变形机制为材料的主要塑性变形机制，而小于50nm时，晶界相变形为主要的塑性变形机制。当位错变形机制占主导地位时，本文将细晶材料视作晶粒和晶界两相复合材料，且两相的变形行为均具有弹性-粘塑性变形行为，并且将弹性变形考虑在内并利用自洽理论发展了细晶材料的微观力学模型。然而当晶界变形机制占主导地位时，从能量的角度出发推导出了纳米晶材料增量本构关系。最后将发展的模型用于纯铜的单轴拉伸实验与并文献中的实验数据比较，验证了模型的可靠性。采用隐式迭代算法编程进行计算得到细晶材料的应力-应变关系以及晶粒尺寸和屈服强度的之间的关系。另外，还研究了晶粒分布、晶粒形状的影响。模型再现了纳米晶材料中的反Hall-Petch现象。结果表明，晶粒形状对计算结果会产生一定的影响；不考虑晶粒分布时会导致应力值偏高。