Уста́лость материалов — изменение механических и физических свойств материала под длительным действием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается на его механических свойствах, макроструктуре, микроструктуре, субструктуре. Эти изменения протекают по стадиям и зависят от исходных свойств, вида напряженного состояния, истории нагружения и влияния среды. На определенной стадии начинаются необратимые явления снижения сопротивления материала разрушению, характеризуемые как усталостное повреждение. Сначала в структурных составляющих материала и по границам их сопряжения (зерна поликристаллического металла, волокна и матрица композитов, молекулярные цепи полимеров) образуются микротрещины, которые на дальнейших стадиях перерастают в макротрещины или приводят к окончательному разрушению элемента конструкции или образца для механических испытаний.
Количественно усталостный процесс описывается зависимостью между накопленным повреждением и числом циклов или длительностью нагружения по параметру величины циклических напряжений или деформаций. Соответствующая зависимость между числом циклов и стадией повреждения, в том числе возникновением трещины или окончательным повреждением, называется кривой усталости. Эта кривая — основная характеристика усталости материалов. Накопление циклического повреждения отражает деформирование материала как макронеоднородной и микронеоднородной среды; для металлов — поликристаллический конгломерат, для полимеров — конгломерат молекулярных цепей, для композитов — регулярное строение из матрицы и волокон. Этот процесс в поле однородного напряженного состояния, например, простого растяжения-сжатия, описывается механической моделью, звенья которой воспроизводят неоднородную напряженность структурных составляющих материала. Эта неоднородность характеризуется вероятностными распределениями величин микродеформаций и микронапряжений, включая остаточные.
Циклическое нагружение таких неоднородных структур порождает в наиболее напряженных структурных звеньях необратимые деформации (упругопластические, вязкоупругие), накапливающиеся с нарастанием числа циклов и длительности пребывания под циклической нагрузкой. Их увеличение до критических значений, свойственных материалу и среде, в которой он находится, приводит к зарождению макротрещины как предельного состояния на первой стадии усталостного разрушения. Кинетика изменения состояния материала на этой стадии проявляется субмикроскопически в изменении плотности дислокаций и концентрации вакансий, микроскопически — в образовании линий скольжения, экструзий и интрузий на свободной поверхности остаточных микронапряжений; механически — в изменении твердости, параметров петли упруго-пластического гистерезиса, циклического модуля упругости, а также макрофизических свойств: электрического, магнитного и акустического сопротивления, плотности. На второй стадии усталостного разрушения накопление повреждения оценивается скоростью прорастания макротрещины и уменьшением сопротивления материала статическому (квазихрупкому или хрупкому) разрушению, определяемому изменением статической прочности, в том числе характеристиками вязкости разрушения как критическими значениями интенсивностей напряжений у края усталостной трещины.