材料に熱応力が繰返し作用して起きる疲労現象をさす．一般に負荷の大きさと保持時間効果の有無によって高サイクル疲労，低サイクル疲労，クリープ疲労に大別される．定常・非定常の温度分布が生じたり，異材間の膨張率の相違があると，熱負荷に伴って熱応力が発生し，負荷を重ねるに従って損傷が進行して破損にいたる．熱疲労特性は，昇降温サイクルと引張圧縮サイクルを重畳して負荷する熱疲労試験から得られる．さらに，温度波形とひずみ波形の位相からout-of-phase熱疲労，in-phase熱疲労と称される．