Процесс разрушения связан с накоплением дефектов в кристаллической решётке, приводящим сначала к местному разрушению – возникновению микротрещин. Первоначально процесс развивается медленно, а затем, когда живое сечение образца ослабнет настолько, что напряжения превысят предел текучести, происходит внезапное разрушение.

Для характеристики степени утомляемости материала введено понятие предела усталости или предела выносливости – максимального напряжения, которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе циклов нагружения. Для железа
и его сплавов обычно берут 10 млн. циклов нагружения, для цветных металлов – 100 млн.

На усталостную прочность стали, кроме структуры, сильное влияние оказывает качество поверхности образца. Упрочнённая химико-термической обработкой или полированная поверхность, для которой характерно уменьшение количества и глубины надрезов, являющихся концентраторами напряжений, обладает существенно более высоким пределом выносливости по сравнению с необработанной поверхностью. Вместо дорогостоящей полировки часто используется обдувка изделий мелкой стальной или чугунной дробью. Эта операция не только устраняет мелкие неровности на поверхности, но и создаёт в поверхностном слое напряжения сжатия, т. е. напряжения, обратные напряжениям растяжения
в эксплуатации. Обдувка дробью в несколько раз повышает долговечность изделий.

Металл может разрушаться также под действием многократных повторных температурных напряжений. Это явление получило название термической усталости. При быстром нагреве наружные слои детали оказываются в сжатом состоянии, а внутренние – в растянутом. При охлаждении знак напряжений меняется. В конечном счёте деталь разрушается.

Существовавшее мнение «если прочнее вообще, то прочнее и при усталости» не подтвердилось. Поэтому испытание на усталость очень важно. Схему испытаний желательно выбирать ближе к условиям нагружения реальной конструкции, с учётом температуры и агрессивности среды.