在材料科學中，疲勞是由于循環載荷引起的材料裂紋的產生和傳播。 一旦疲勞裂紋開始出現，它會隨著每個加載循環少量增長，通常會在斷裂表面的某些部分產生條紋。 裂紋將繼續增長，直到達到臨界尺寸，當裂紋的應力強度因子超過材料的斷裂韌性時，就會發生這種情況，從而導致結構的快速擴展和典型的完全斷裂。

傳統上，疲勞與金屬部件的失效有關，這導致了金屬疲勞一詞。 在十九世紀，金屬鐵路車軸的突然失效被認為是由于斷口表面脆性而使金屬結晶造成的，但后來這種說法被推翻了。 大多數材料，例如復合材料、塑料和陶瓷，似乎都會經歷某種與疲勞相關的失效。

為幫助預測部件的疲勞壽命，使用試樣進行疲勞試驗，通過施加恒幅循環載荷并對數千次循環中測得的裂紋擴展進行平均來測量裂紋擴展速率。 然而，也有一些特殊情況需要考慮，其中裂紋擴展速率與恒幅測試獲得的速率相比有顯著差異。 例如接近閾值或應用過載后小負載發生的增長率降低； 以及與短裂紋相關或在施加欠載后裂紋擴展速率增加。

如果載荷高于某個閾值，微觀裂紋將開始在應力集中處出現，例如金屬中的孔、持久滑移帶 (PSB)、復合界面或晶界。 導致疲勞損壞的應力值通常遠小于材料的屈服強度。

從歷史上看，疲勞已分為需要 104 次以上循環才能失效的高周疲勞區域（其中應力低且主要是彈性）和低周疲勞區域（其中具有顯著的塑性）。 實驗表明，低周疲勞也是裂紋擴展。

高循環和低循環的疲勞失效都遵循相同的基本步驟：裂紋萌生、裂紋擴展階段 I 和 II，最后是最終失效。 要開始這個過程，裂紋必須在材料中成核。 該過程可能發生在金屬樣品中的應力上升處或聚合物樣品中具有高空隙密度的區域。 這些裂紋首先在階段 I 裂紋沿著晶面擴展緩慢，此處的剪應力最高。 一旦裂紋達到臨界尺寸，它們就會在 II 階段裂紋沿垂直于施加力的方向快速擴展。 這些裂縫最終會導致材料的最終失效，通常是脆性災難性的。

疲勞失效前初始裂紋的形成是一個單獨的過程，由金屬樣品中的四個離散步驟組成。 該材料將形成細胞結構并響應施加的載荷而硬化。 考慮到對應變的新限制，這會導致施加應力的幅度增加。 這些新形成的細胞結構最終會隨著持久滑移帶 (PSB) 的形成而分解。 材料中的滑移局限在這些 PSB 處，并且夸大的滑移現在可以作為形成裂紋的應力集中點。 裂紋的成核和增長到可檢測的尺寸是造成裂紋過程的大部分原因。 正是由于這個原因，循環疲勞失效似乎突然發生，材料的大部分變化在沒有破壞性測試的情況下是不可見的。 即使在正常的延展性材料中，疲勞失效也類似于突然的脆性失效。

PSB 引起的滑移面導致材料表面的侵入和擠壓，通常成對出現。 這種滑移不是材料內部的微觀結構變化，而是材料內部位錯的傳播。 與光滑的界面不同，侵入和擠壓會導致材料表面類似于一副紙牌的邊緣，并非所有紙牌都完美對齊。 滑動引起的侵入和擠壓會在材料上形成極其精細的表面結構。 由于表面結構尺寸與應力集中因子成反比，PSB 引起的表面滑移會導致裂縫開始。

如果裂紋在預先存在的應力集中處形成，例如材料中的夾雜物或由尖銳的內角或圓角引起的幾何應力集中處，也可以完全繞過這些步驟。

大部分疲勞壽命一般消耗在裂紋擴展階段。