疲労（ひろう、Fatigue）は、物体が力学的応力を継続的に、あるいは繰り返し受けた場合にその物体の機械材料としての強度が低下する現象。金属で発生するものは金属疲労(Metal fatigue)として一般に知られているが、金属だけではなく樹脂やガラス、セラミックスでも起こり得る。また、力学的応力だけではなく電圧や温度の継続的または繰り返し負荷によって絶縁耐力や耐熱性が低下する現象を指すこともあるが一般的ではない。こちらはむしろ経年劣化と呼ぶ。
現象および機構

物体はその機械的強度；引張強度(UTS,降伏応力)より小さい力学的応力を一時的に受けても破壊されることはなく、弾性範囲内であれば応力を取り除くことにより元の状態に復元する。しかしながら、巨視的には弾性範囲内の小さい応力であっても、原子論レベルの微視的状態においては、ごく一部の原子がもとあった場所に戻らない非弾性的振る舞いを起こし(転位現象)、それが蓄積されることによって強度が劣化する。繰り返し応力を受ける場合、破壊された断面を観察すると縞状の模様が観察されることが面心立方金属（Al、Cu、オーステナイト鋼）に多く見られ、その襞の1つが一振幅の負荷に相当しストライエーション（Striation）や固執すべり帯(Persistent slip bands;PSBs)と呼ばれる。

疲労による機械的強度の低下は多くの場合、始めに物体に微小な割れ目（クラック）が発生し、繰り返し応力を受けることによって割れ目が次第に大きくなる機構による。物体に応力が加えられると弾性範囲内であっても拡散現象などによってわずかな物質の移動が発生して応力を緩和しようとする。物質の移動によって微小な割れ目が発生すると、その割れ目の先端において応力が大きくなり、割れ目が進行するようになる。物体を構成する物質の一部が、応力を受けて弾性率や強度の小さい別の物質に変化する場合にも同様の現象が起こる。

疲労破壊は温度、表面処理、金属的微細組織、酸化・不活性気体、残留応力、物体間の接触(フレッティング)など様々な環境要因に影響される。
疲労応力繰返し応力波形(正弦波)変動応力波形(ランダム応力)

材料に負荷する応力が一定ではなく、時間に対して変動することによって引き起こされる破壊が疲労の定義の1つである[注釈 1]。そのような疲労応力を発生させる荷重を疲労荷重(fatigue loading)または動荷重(dynamic loading)と呼ぶ。外的な荷重が負荷しなくても、このような繰り返しの疲労応力は発生し得るので注意が必要である。例えば、部材に温度変化が発生する場合は熱応力による疲労破壊が発生する可能性がある。
繰返し応力

疲労を引き起こす応力の中で、応力振幅、平均応力が一定の周期的な応力を繰返し応力(repeated stress)、繰返し応力を引き起こす荷重を繰返し荷重と呼ぶ[1]。疲労の試験では実現の容易さのため、繰返し応力を正弦波の応力波形を与えて材料の疲労特性を試験することが多い。このような繰り返し応力を受ける実際の機械構造物としては、一定荷重を支えて走行する車軸などがある。以下に繰返し応力の重要因子を示す。

σmax:最大応力

σmin:最少応力

Δσ:応力範囲(=σmax - σmin)

σa:応力振幅(=Δσ/2)

σm:平均応力(=(σmax + σmin)/2)

R:応力比(=σmin / σmax)

N:繰り返し数

f:周波数

特に、R = -1のときを両振り応力、R = 0のときを片振り引張応力、R = ?∞のときを片振り圧縮応力と呼ぶ。
変動応力

応力振幅、平均応力が不規則に時間的に変化するような応力を変動応力(fluctuating stress)、変動応力を引き起こす荷重を変動荷重と呼ぶ[2]。特に、実際に構造物が受ける応力を実働応力(service stress)と呼び[3]、この応力を精度良く知ることが疲労対策の重要点である。実働応力は、実際に運用中の構造部材にひずみゲージを用いて直接測定したり、加速度などから間接的に測定する[4]。実働応力は周期的な応力になるとは限らず、不規則な波形のランダム応力になることも多い[3]。
S-N曲線詳細は「S-N曲線」を参照アルミニウムのS-N曲線

材料がどれくらいの繰り返し応力に耐えられるか、どれくらいの回数を与えるとどれくらいの応力で破断するのかをあらわすためにはS-N曲線（S-N curve）が広く使われている。S-N曲線は、縦軸に応力振幅（stress amplitude）あるいは応力範囲(stress range)、横軸にその応力を繰り返し負荷して破断するまでの繰り返し回数（number of cycles）の対数で表されるグラフである。S-N曲線は、世界で最初にS-N曲線を見つけ出したドイツの技術者アウグスト・ヴェーラーの名前から、ヴェーラー曲線（Wohler curve）」と呼ばれることもある。材料のS-N曲線を求めるためには、疲労試験装置に試験片を取り付け、破断するまで繰り返し応力を加えて求められる。

繰り返し数が105回程度以上で発生する疲労破壊を高サイクル疲労(high cycle fatigue)と呼び、104回程度以下で発生するものを低サイクル疲労(low cycle fatigue)あるいは塑性疲労と呼ぶ[5][6]。低サイクル疲労では負荷される応力が材料の降伏応力以上となるため、材料の疲労試験をする際には、繰り返し応力振幅を一定にして試験する場合と繰り返しひずみを一定にして試験する場合で結果が異なる。繰り返しひずみ一定の場合の疲労評価を表す場合は、応力振幅の代わりに全塑性ひずみ幅Δεtを用いたε-N曲線が使用される[7]。またさらに、107回以上の繰り返し数でも疲労破壊が起こる場合があり、このような繰り返し数領域での疲労を超高サイクル疲労(very high cycle fatigue)あるいはギガサイクル疲労(Gigacycle fatigue)などと呼ぶ[8]。

S-N曲線であらわされる耐久性は、装置上で試験片に、ごく単純な正弦波状の繰り返し応力を加え続けたものであり、材料の形状や温度変化、腐食など性質の変化、時間的に非連続的な応力がかかることなどは考慮されていない。そのため実際に材料が使われている状況とは違うことを考慮することが必要である[9]。