钢铁零部件会由于表面破坏而失效,通常采用表面强化手段解决该问题。本文利用原位反应合成法在灰铸铁（HT300）表面制备NbC增强层。分析增强层的微观组织、物相组成;再从热力学方面判断所涉及反应发生的可能性,进而从动力学角度分析建立碳原子扩散模型,阐明增强层的生长动力学过程、组织演变规律及形成机理;同时通过显微压痕诱导裂纹并分析裂纹种类,研究增强层裂纹扩展行为,判定裂纹种类,进而结合公式法计算增强层断裂韧性及残余应力;此外,采用显微刻划实验对NbC/灰铸铁体系界面结合性能及失效行为进行研究。主要研究结论如下:（1）以高纯铌板和灰铸铁（HT300）为原料,采用铌板/灰铸铁-原位合成法在1150℃下预热处理2min,随后在990℃、1010℃和1030℃每一温度下分别保温热处理5min、10min、15min和20min,得到铁基表面NbC增强层。增强层的物相组成为大量的NbC和极少量的α-Fe相,其厚度为12.50±1.4μm～29.10±2.0μm。沿着厚度方向,NbC晶粒尺寸逐渐增大,体积分数基本保持不变,其中NbC相的晶粒尺寸为80nm～600nm,体积分数约为95%。此外,以菲克第一定律为基础建立碳原子扩散模型,该模型构建了热处理参数（温度、时间）和C浓度分布与NbC增强层微观组织的关系。模型计算结果与实验结果较为一致,其中,分析计算得出,原子的扩散激活能为98.59KJ/mol。（2）采用纳米压痕仪测得NbC增强层表面和截面的硬度值分别为19.70GPa和21.78GPa,弹性模量分别为:418.85GPa和474.05GPa;显微压痕法结合曲线法判断NbC增强层表面的裂纹为巴氏（Palmqvist）裂纹,根据选定公式计算其断裂韧性为9.50-10.71MPa·m1/2,XRD检测其残余应力为-404.71±23.64MPa。此外,判断得出NbC增强层截面裂纹为半币（Half-penny）裂纹,利用数学模型计算其断裂韧性为6.41 ±0.82MPa·m1/2、残余应力为-96.32±1.20MPa。相比其他方法制备的类似材料,NbC增强层具有较高的断裂韧性。分析表明:原位合成所得NbC增强层的增韧机制为陶瓷颗粒之间的韧性相（少量基体）增韧、细小晶粒NbC增强相（微/纳米多尺度）的细晶韧化作用。以及层间残余压应力的应力增韧的综合作用。（3）通过显微刻划法测试NbC增强层与灰铸铁基体间的结合性能,并分析增强层在连续加载下的变形和破坏失效机制;研究表明:NbC增强层与灰铸铁间的结合强度为63N,裂纹扩展形式均为沿晶扩展,最终增强层的破坏是划痕沟槽底部和边缘裂纹共同作用的结果。