Nutrões de alta energia danificam e degradam materiais ao longo do tempo; o bombardeamento de materiais com neutrões cria cascatas de colisão que podem produzir defeitos pontuais e deslocamentos no material, cuja criação é o principal condutor por detrás das alterações microestruturais que ocorrem ao longo do tempo nos materiais expostos à radiação. Em altas fluências de neutrões isto pode levar à fragilização de metais e outros materiais, e ao inchaço induzido por neutrões em alguns deles. Isto representa um problema para os vasos de reactores nucleares e limita significativamente a sua vida útil (que pode ser um pouco prolongada pelo recozimento controlado do vaso, reduzindo o número de deslocamentos acumulados). Os blocos moderadores de neutrões de grafite são especialmente susceptíveis a este efeito, conhecido como efeito Wigner, e devem ser recozidos periodicamente. O fogo de Windscale foi causado por um percalço durante tal operação de recozimento.

Danos por radiação nos materiais ocorrem como resultado da interação de uma partícula energética incidente (um nêutron, ou não) com um átomo de malha no material. A colisão causa uma transferência maciça de energia cinética para o átomo da malha, que é deslocada do seu local da malha, tornando-se o que é conhecido como o átomo primário de atomização (PKA). Como o PKA está rodeado por outros átomos da malha, seu deslocamento e passagem através da malha resulta em muitas colisões subseqüentes e na criação de átomos adicionais, produzindo o que é conhecido como a cascata de colisão ou cascata de deslocamento. Os átomos em cadeia perdem energia a cada colisão e terminam como intersticiais, criando efectivamente uma série de defeitos Frenkel na grelha. O calor também é criado como resultado das colisões (a partir da perda electrónica de energia), tal como possivelmente os átomos transmutados. A magnitude do dano é tal que um único neutron de 1 MeV criando um PKA numa malha de ferro produz aproximadamente 1.100 pares Frenkel. Todo o evento em cascata ocorre em uma escala de tempo de 1 × 10-13 segundos e, portanto, só pode ser “observado” em simulações computadorizadas do evento.

Os átomos de knock-on terminam em posições não-equilibradas da malha intersticial, muitos dos quais se aniquilam a si mesmos, difundindo-se de volta para os locais da malha vazia vizinhos e restaurando a malha ordenada. Aqueles que não deixam ou não podem deixar vagas, o que causa um aumento local na concentração de vagas muito acima da concentração de equilíbrio. Essas vagas tendem a migrar como resultado da difusão térmica em direção a pias de vácuo (ou seja, limites de grãos, deslocamentos), mas existem por um período significativo de tempo, durante o qual partículas adicionais de alta energia bombardeiam a malha, criando cascatas de colisão e vagas adicionais, que migram em direção a pias de vácuo. O principal efeito da irradiação em uma malha é o fluxo significativo e persistente de defeitos para os afundamentos no que é conhecido como o vento do defeito. As vagas também podem aniquilar, combinando-se umas com as outras para formar loops de deslocamento e, posteriormente, vazios na malha.

A cascata de colisão cria muito mais vagas e intersticiais no material do que o equilíbrio para uma determinada temperatura, e a difusividade no material é dramaticamente aumentada como resultado. Isto leva a um efeito chamado de difusão melhorada por radiação, que leva à evolução microestrutural do material ao longo do tempo. Os mecanismos que levam à evolução da microestrutura são muitos, podem variar com a temperatura, fluxo e fluência, e são objeto de estudo extensivo.

• A segregação induzida por radiação resulta do fluxo de vagas para poços acima mencionado, implicando um fluxo de átomos da malha longe dos poços; mas não necessariamente na mesma proporção da composição da liga no caso de um material ligado. Esses fluxos podem, portanto, levar ao esgotamento dos elementos de liga nas proximidades dos lavatórios. Para o fluxo de interstícios introduzido pela cascata, o efeito é invertido: os interstícios difundem-se em direção aos lavatórios, resultando no enriquecimento da liga junto ao lavatório.
• Os loops de deslocamento são formados se as vagas formarem aglomerados num plano de grelha. Se estas vagas se expandem em três dimensões, forma-se um vazio. Por definição, os vazios estão sob vácuo, mas podem tornar-se cheios de gás no caso da radiação de partículas alfa (hélio) ou se o gás for produzido como resultado de reacções de transmutação. O vazio é então chamado de bolha, e leva à instabilidade dimensional (inchaço induzido por nêutrons) das partes sujeitas à radiação. O inchaço apresenta um grande problema de projeto a longo prazo, especialmente em componentes de reatores feitos de aço inoxidável. Ligas com isotropia cristalográfica, como as Zircaloys, estão sujeitas à criação de loops de deslocamento, mas não apresentam formação de vazio. Ao invés disso, as alças se formam em planos de malha particulares, e podem levar a um crescimento induzido pela irradiação, um fenômeno distinto do inchaço, mas que também pode produzir alterações dimensionais significativas em uma liga.
• Irradiação de materiais também pode induzir transformações de fase no material: no caso de uma solução sólida, o enriquecimento ou esgotamento do soluto em poços de separação induzida pela radiação pode levar à precipitação de novas fases no material.

Os efeitos mecânicos destes mecanismos incluem endurecimento por irradiação, fragilização, fluência e fissuras assistidas ambientalmente. Os clusters de defeitos, loops de deslocamento, vazios, bolhas e precipitados produzidos como resultado da radiação em um material contribuem para o fortalecimento e fragilização (perda de ductilidade) do material. A fragilização é particularmente preocupante para o material que compreende o vaso de pressão do reator, onde, como resultado, a energia necessária para fraturar o vaso diminui significativamente. É possível restaurar a ductilidade através do recozimento dos defeitos, e grande parte da extensão da vida útil dos reatores nucleares depende da capacidade de fazê-lo com segurança. A fluência também é muito acelerada nos materiais irradiados, embora não como resultado do aumento das difusividades, mas sim como resultado da interação entre a tensão da malha e a microestrutura em desenvolvimento. A fissuração ambientalmente assistida ou, mais especificamente, a fissuração por tensão de corrosão assistida por irradiação (IASCC) é observada especialmente em ligas sujeitas a radiação de neutrões e em contacto com a água, causada pela absorção de hidrogénio nas pontas da fissuração resultante da radiólise da água, levando a uma redução da energia necessária para propagar a fissuração.