钢材在持续载荷的作用下，虽然应力远低于强度极限，甚至还低于屈服极限，也会发生破坏，这种“积劳成疾”的现象称为钢材的疲劳。疲劳破坏约占机械事故的80%以上。现在，许多部件如发动机部件、汽车承力运动部件、铁路车轮和轨道、飞机、海岸结构、桥梁、特殊医疗设备等，要求承受108～1012周次的循环载荷而不发生断裂。
疲劳断裂是金属在循环应力的作用下产生的断裂。能够导致钢结构疲劳的载荷是动力的或循环性的动载荷，如桥式吊车对吊车梁的作用，车辆对桥梁的作用，海浪对海洋结构的作用，剧烈的地震使结构物反复摇摆等。过去土建钢结构考虑疲劳计算主要是对铁路桥梁，但随着焊接结构件的大量使用，疲劳破坏有增无减，焊接吊车梁的疲劳破坏时有发生，焊接公路钢桥的疲劳破坏屡见不鲜。例如，美国一座公路钢桥1968年11月交付使用，过了六年后就发现在主梁上有一条疲劳裂纹贯通下翼缘和几乎整个腹板。从统计结果来看，钢结构的疲劳破坏所占的比例较大，现代钢结构设计者应当充分了解疲劳破坏的危险，否则它可使一个很好的设计归于失败。
金属疲劳一般起源于金属材料的冶金缺陷，如皮下夹渣、大颗粒夹杂物、表面加工缺陷、孔边、沟槽、缺口等应力集中部位。一般来说，疲劳破坏经历三个阶段，按照疲劳的显微特征分为：疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区。疲劳源区的主要特征是可以找到由夹杂物或第二相质点引起的疲劳裂纹萌生源，或呈放射状特征的疲劳源。疲劳裂纹扩展区将出现相互平行的，与裂纹扩展方向垂直的有规则间距的条纹，与宏观上的“年轮”，“海滩”，“贝壳状”形状十分相似，一般用疲劳条纹或“辉纹”表示。观察发现，如果材料受恒定应力作用，疲劳损坏的疲劳条纹或“辉纹”的间距是均匀的。如果应力发生变化，其间距也发生变化。一般认为每一条“辉纹”相当于一次循环时间的标计。根据“辉纹”所产生的表面浮凸的程度和塑性变形量的大小，又将疲劳条纹分为脆性辉纹和韧性辉纹两种。
有严重的应力集中的部位，如截面几何形状突然改变处，由于存在高峰应力，又经受多次重复作用的影响，故即使在该处没有存在缺陷，也会产生显微裂纹，形成裂纹源。随着应力循环次数的增加，裂纹大体上以同心圆的形式从表面的裂纹源向内部逐渐扩展，扩展十分缓慢。当构件应力较小时，扩展区所占范围较大，而当构件应力很大时，扩展区就比较小。由于疲劳裂纹两边的表面在循环应力的作用下，时而分开时而压紧，起研磨的作用，因而扩展区的表面光滑，而且是愈近裂纹源愈光滑。当裂纹源发展成为宏观裂纹时，削弱了构件截面的有效面积。当截面有效面积小到难以承受载荷时，在偶尔的振动或冲击下，即发生突然断裂。
通过疲劳断裂的大量研究，已知疲劳条带具有下述特性：
1）每一疲劳条带代表一次载荷循环，但反过来就不然，每一次载荷循环并不一定能产生一个条带。
2）疲劳条带的形状随材料的性质、应力水平、频率高低而有所不同，甚至不出现。
3）疲劳条带的间距随应力振幅和振动频率发生变化，随着裂纹的扩展，条带间距也相应增加。(www.xing528.com)
4）晶粒边界对疲劳裂纹的扩展能起抑制作用，裂纹遇到晶界时，疲劳条带的取向发生变化。
5）疲劳条带在常温时往往是穿晶的，而在高温下也可能出现沿晶断裂，平均应力及温度升高时沿晶断裂的比例增加。
6）疲劳条带有韧性及脆性两类。前者比较常见，脆性条带一般只在腐蚀介质作用下产生，其微观特征是存在大量河流线，把断面分割成很多小块，条带往往不平行。
7）第二相或夹杂物的存在会加速或推迟条带的前进。
8）高温疲劳断口上，由于金属基体的高温氧化，条带间覆盖一层很厚的氧化膜，使疲劳条带失去浮雕特征而不能辨认，若用适当的化学处理除去高温氧化膜，清晰的疲劳条带仍可再现。冷热疲劳是低循环疲劳的一种特殊形式，条带间距很宽，用复型观察时往往呈现花朵状、云彩状的氧化产物，若用化学方法除去氧化膜，则在扫描电镜下可以看到清晰的疲劳条带。
在宏观上，经验丰富的检验人员用眼睛或放大镜就可以判定疲劳断裂。疲劳断口通常由疲劳源、疲劳裂纹扩展区和最终瞬间断裂区三部分构成。疲劳源通常在断口的边部，呈现一个圆形的小平面，中间有一个亮点。在疲劳裂纹扩展区，可以观察到“年轮”、“海滩”、“贝壳状”等宏观标记，是裂纹缓慢扩展的特征。而最终瞬间断裂区有明显的撕裂特征。
在实际生活中，我们最常见的事情是：火车每当在站台上停下来，检验工人手里拿着铁锤敲击车厢下火车各个结构件，听一听有没有异常声音，如果听到了可疑的声音，他们会怀疑结构件里可能有显微裂纹，特别是怀疑产生了疲劳裂纹，于是要进一步用超声波探伤仪判定裂纹的准确位置和大小，而且损坏的结构件必须拆卸下来，换上新的结构件，如果不能及时发现这种潜在的危险，就会发生严重事故，所以疲劳损坏必须引起人们的高度重视。
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