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基于目前3Cr2W8V钢常规热处理工艺后热疲劳性能较差，容易失效的现状，本文采用等温球化退火、高淬高回的热处理工艺，引入正交实验设计优化热处理工艺参数，根据正交分析计算得出淬火温度、球化退火等温温度、回火温度显著影响3Cr2W8V钢的热疲劳性能，并得出可能最佳方案为：830℃×2h+730℃×4h球化退火，1150℃×30min淬火，630℃×2h回火2次。通过进一步对比性实验，采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等手段观察3Cr2W8V钢的微观组织，研究球化退火、淬火和回火工艺对组织的影响。结果表明：预处理工艺选择等温球化退火所获得的球化珠光体组织比常规球化退火更完全、均匀；高温淬火有利于提高马氏体合金化程度，延缓淬火钢的回复和再结晶过程，从而提高钢的回火稳定性，但过高的淬火温度使碳化物溶解过多，导致晶粒粗大；高温淬火后材料回火稳定性较好，需用较高温度回火使马氏体分解，析出的碳化物呈细小弥散分布。采用Uddeholm自约束热疲劳试验法进行热疲劳试验，观察疲劳裂纹的萌生过程，通过计算表面损伤因子，参照标准图谱比较不同工艺参数试样的热疲劳性能。研究表明热疲劳循环过程中的疲劳裂纹形成过程为：试样表面先是出现起皱和氧化腐蚀斑，然后从起皱和氧化腐蚀斑区域衍生出氧化腐蚀沟，这是热疲劳裂纹的萌芽；随着热疲劳循环次数的增加，这些腐蚀沟进入扩展阶段，沿轴向、横向延伸，形成热疲劳裂纹。电镜观察与分析表明：热疲劳裂纹起源于钨含量较低的区域，热疲劳裂纹扩展过程中，试样表层组织中α相回复、再结晶，原先板条马氏体转变为等轴铁素体亚晶，细小碳化物出现粗化和聚集现象，转变为M23C6型碳化物。由对比性实验验证了正交实验设计得出的最佳热处理工艺方案，经相同热疲劳试验次数后，用优化工艺处理的3Cr2W8V钢热疲劳裂纹级别为常规工艺的二分之一，热疲劳性能提高，为3Cr2W8V钢合理热处理工艺制定提供了参考数据。