材料疲劳是一种结构在循环载荷作用下出现失效的现象。即使材料受到的应力远低于材料的静态强度，也可能会发生这种类型的结构损伤。疲劳是造成机械结构失效最常见的原因。
组件在反复载荷作用下导致最终失效的过程，可以分为三个阶段：
在多次循环作用下，材料损伤在微观层面不断发展，直到形成宏观裂纹。在每次循环中，宏观裂纹都会不断增长，直至达到临界长度。当出现裂纹的组件无法继续承受峰值载荷时，就会发生断裂。在某些应用中，我们无法观察到第二阶段的变化。这种情况下，裂纹在微观尺度上快速增长，导致组件突然失效。
后两个阶段的细节通常属于断裂力学领域的研究内容。疲劳这一术语主要适用于第一阶段。然而，这些学科之间存在一些重叠，测得的疲劳循环次数往往还包含后两个阶段。由于组件的大部分寿命都消耗在了出现宏观裂纹之前，因此，大多数设计方案都会尽可能避免出现此类损伤。
疲劳变量在非恒定外部载荷的影响下，材料的状态还会随时间发生变化。材料中某个点的状态可以通过许多不同的变量（例如应力、应变或能耗）来描述，而疲劳过程通常被认为是由一类特定的变量控制。人们将载荷循环定义为：所研究变量的一个峰值到下一个峰值的持续时间。通常情况下，不同的循环有着不同的幅值。不过，在粗浅的讨论中，我们可以假设控制疲劳状态的变量在每个载荷循环的开始和结束点都具有相同的值。在弹性材料中，循环载荷会引起周期性的循环应力响应。对于这种情况，载荷循环的定义非常简单。下图对此进行了说明，其中，控制疲劳状态的变量是应力。
用于疲劳预测的常用变量。在一个载荷循环中，应力在最大应力与最小应力之间变化。在研究疲劳时，通常使用应力幅值和平均应力来定义应力的变化。此外，用于定义应力范围的变量和R值常用来描述应力循环。各个疲劳应力变量之间的关系可以表示为，
在描述疲劳损伤时，最重要的参数是应力幅值。然而，如果要进行详细分析，还必须考虑平均应力。其中，平均拉应力会增加材料对疲劳的敏感性，而平均压应力则会增大材料的应力幅值。
材料对一系列载荷循环的响应与外部载荷的性质高度相关，外加载荷既可以是周期性的，也可以是随机的，甚至还可能是可重复的块组成。对于后两种情况，对载荷循环的描述比纯周期性的情况相对更加复杂，需要一些特殊处理。
承受随机载荷的开孔框架。图中显示三种广义载荷（两个弯矩和一个扭矩）的时间历史。应力等值线表示单位载荷作用下的材料响应。
低周和高周疲劳疲劳分析并非总是基于应力响应。然而，纵观这一分支学科的发展史，由于大部分研究都是借助基于应力的模型来进行的，因此，这在过去一直备受
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