现代工业领域中,随着科技的迅猛发展对各种材料性能提出了更高的要求,单一性能的钢铁材料已经很难满足。表面增强复合材料结构和性能的可控性使其广泛应用于航空航天、汽车及冶金等领域,是一类非常有前景的新型复合材料。为了提高钢铁合金表面的强度,本文以高纯钒板和灰口铸铁作为原材料,利用金属钒的强碳化物形成特点,采用了一种原位反应工艺制备了具有夹层结构的VCx/Fe基表面复合材料,研究了该原位反应过程,该铁基表面复合层的物相组成、显微组织、反应碳化物层的生长动力学、晶体形态及颗粒形貌等;探究了碳化钒复合层的生长机制;并分析了所生成的碳化钒复合层的硬度及断裂韧性。研究结果表明:热处理温度为950°C,1000°C,1050°C分别保温1～5 h,反应生成了碳化钒陶瓷层增强铁基体表面复合材料试样的复合层物相组成主要为V,V8C7,V2C和α-Fe。所生成的VCx/Fe基表面复合材料的显微组织始终表现为均匀且致密的组织,随着热处理温度的升高和保温时间的延长,碳化钒复合层的层厚逐渐增大,且该复合层组织由铁基体朝钒板方向向上依次为V8C7层和V2C层。通过化学溶液萃取后获得的碳化钒粉末,其三维微观形貌主要由团球状和尺寸均匀的短棒状形态构成。本文所研究的热处理温度范围是950°C～1050°C,在原位反应过程中,VC,V2C,V8C7,Fe3C等几种产物均有可能形成,故反应所形成的复合材料的碳化钒增强层可以自发生成,几种钒碳化物的稳定性由强到弱依次是V2C,V8C7,VC,Fe3C。在不同工艺参数条件下,钒碳化物层的厚度范围为16.62±0.16μm至81.47±0.63μm。该复合层的生长动力学遵循抛物线规则,并且计算的活化能值为Q=415.7KJ/mol。碳化钒复合层内碳化钒晶粒的生长呈多种不同形态及尺寸的晶粒变化,在靠近基体处的晶粒尺寸较小,在远离基体的区域晶粒尺寸相对较大。采用压痕测试评估了碳化钒复合层的显微硬度、弹性模量和断裂韧性。原位生成VCx/Fe基复合材料的碳化钒复合层发生了塑性变形,最小的弹性模量E=254.041 GPa,显微硬度为9.67 GPa,是铁基体硬度的2-3倍。复合层中V2C层的硬度小于V8C7层的硬度,V2C层的纳米硬度值为22.16 GPa,弹性模量值为372.84GPa,V8C7的纳米硬度值为32.42 GPa,弹性模量值为481.79 GPa。随着保温时间的延长,VCx/Fe基复合材料表面碳化钒陶瓷复合层的硬度随着致密层致密程度的增加而变得更加稳定。碳化钒复合层中以V8C7为主的区域其断裂韧性值在2.41～4.41 MPa·m?范围内,压痕形貌整体上基本为规则的菱形状,且在菱形的各个棱角上分别有不同程度的裂纹产生。随着载荷的增大,压痕投影面积增加,且产生的裂纹数量增加,裂纹尺寸及裂缝宽度越来越大。