温度変化の繰返しにともなって発生する熱応力の変化による疲労現象。材料の温度が上昇・下降を繰返すと、それにともなって、材料は膨張・収縮し、材料に加わる熱応力も繰返し変化する。材料が外部から拘束されている場合は、材料全体の温度が上下すれば、それにともなって熱応力も変化するが、拘束されていない場合でも、急速な加熱・冷却や、部分的に加熱・冷却が繰返されると、材料に温度勾配が生じ、熱応力が発生する。これらの熱応力による疲労が熱疲労である。
 チタンは熱伝導度が小さいので温度差が生じやすく、熱疲労の発生には注意が必要である。