長時間的重複負載及解除負載會使物件變弱，即使所引發的應力遠小於所允許的應力限制。此現象稱為疲勞。每個應力波動的週期都會在某種程度上削弱物體。在經過數個週期後，物體會變得太過脆弱而失敗。疲勞是許多物體失敗的主要原因，尤其是金屬製的物體。由於疲勞造成失敗的例子包括，旋轉機器、螺栓、機翼、消費性產品、海上平台、船隻、車軸、橋及骨架。
線性和非線性結構研究無法預測由於疲勞造成的失敗。它們會計算在指定拘束及負載環境下的設計之回應。如果依循分析假定而且計算的應力在允許的限值內，則會做下結論，指出不論套用負載次數多寡，此設計在此環境下都是安全的。
靜態、非線性、或時間歷程線性動態研究的結果可被用作於定義疲勞研究的基礎。在某位置引起疲勞失敗所需的週期數，視材料及應力脈動而定。對於特定材料，此項資訊是由 SN 曲線提供。
由於疲勞發生失敗的階段
由於疲勞而發生失敗的過程共分為三個階段：
| 階段 1 |
材料中出現一或多個裂痕。裂痕會出現在材料的任何位置，但通常會在受到更高的應力波動而出現在邊界面。裂痕的成因很多。其中包括以工具加工或處理時造成材料的顯微結構有瑕疵以及表面刮痕。 |
| 階段 2 |
某些或所有裂痕會在持續承受負載而產生。 |
| 階段 3 |
設計承受套用負載的能力會持續降低，直到失敗。 |
疲勞裂痕會開始出現在材料表面。強化模型表面可提高模型在疲勞事件之下的壽命。