众所周知，管道和容器可能在正常工作多年后突然失效破坏。20 世纪 40 年代和 50 年代进行了相关研究，最早由 A. R. C. Markl 发表于 1955 年的《管道柔性分析》提出，对这种现象进行了解释，并给出了避免此类故障发生的设计标准。所作的解释是材料由于疲劳而导致破坏，这是因为在重复循环载荷作用下材料出现的裂缝扩大，继而引起断裂的过程。
钢和其它金属是由分子的形态组合而成，称为晶体结构。但是，在整个钢材中，无法维持以一定规律形成的理想均相材料，显微镜下可观察到被称为晶格的独立的封闭区域。每一个晶格中仍保持分子的形态。从一个晶格边界到另一个晶格其分子形态相同，方向各异。因此，晶格边界是高能边界。晶格内会发生塑性变形，以承受高应力和晶向变化，如应力引起的相同晶格间层内的滑动。增加的滑动量，又叫晶格位移，会引起局部冷变形。首次施加应力时，晶格位移将使得局部高应力区域内的晶粒发生运动。当应力反复作用时，晶格位移使得更多相关的晶粒发生运动。晶格位移受到晶格边界的阻碍。然而在多种应力作用下，晶格位移逐渐在晶格边界积聚。最终，因积聚过密晶格“被锁住”，从而失去了延展性，不能再产生位移运动。再施加应力将造成晶粒撕裂，形成裂缝。在反复的应力作用下，裂缝不断增加。除非应力减小，否则裂缝将随着应力的作用而扩大，直到失去截面强度，导致材料发生严重破坏。
通过单轴向试验机施加循环拉伸/压缩位移荷载，可评估材料的疲劳承载能力。绘制的材料循环应力性能的曲线称作疲劳（持久）曲线。这些曲线是在不同的应力强度下进行多次循环试验而得到的。疲劳循环次数一般随着施加的循环应力降低而增加，直至达到临界应力，通常称为持久极限。低于临界应力后，无论作用的循环次数是多少，都不会发生疲劳破坏。下面是取自《ASME 第八卷第 2 分篇压力容器规范》的碳钢和低合金钢的持久曲线：
