Hochenergetische Neutronen schädigen und zersetzen Werkstoffe im Laufe der Zeit; der Beschuss von Werkstoffen mit Neutronen führt zu Kollisionskaskaden, die Punktdefekte und Versetzungen im Werkstoff erzeugen können, deren Entstehung die Hauptursache für die mikrostrukturellen Veränderungen ist, die im Laufe der Zeit in den der Strahlung ausgesetzten Werkstoffen auftreten. Bei hohen Neutronenfluenzen kann dies zur Versprödung von Metallen und anderen Werkstoffen führen und bei einigen von ihnen zu neutroneninduzierter Quellung. Dies stellt ein Problem für Kernreaktorbehälter dar und schränkt ihre Lebensdauer erheblich ein (die durch kontrolliertes Glühen des Behälters etwas verlängert werden kann, wodurch die Anzahl der aufgebauten Versetzungen verringert wird). Neutronenmoderatorblöcke aus Graphit sind besonders anfällig für diesen Effekt, der als Wigner-Effekt bekannt ist, und müssen regelmäßig geglüht werden. Der Brand in Windscale wurde durch ein Missgeschick während eines solchen Glühvorgangs verursacht.

Strahlenschäden an Werkstoffen entstehen durch die Wechselwirkung eines energetischen einfallenden Teilchens (ein Neutron oder ein anderes) mit einem Gitteratom im Werkstoff. Die Kollision bewirkt eine massive Übertragung kinetischer Energie auf das Gitteratom, das von seinem Gitterplatz verdrängt wird und zum so genannten primären Knock-on-Atom (PKA) wird. Da das PKA von anderen Gitteratomen umgeben ist, führt seine Verdrängung und sein Durchgang durch das Gitter zu vielen nachfolgenden Kollisionen und der Entstehung weiterer Knock-on-Atome, was als Kollisionskaskade oder Verdrängungskaskade bezeichnet wird. Die Knock-on-Atome verlieren bei jedem Zusammenstoß Energie und enden als Zwischengitterplätze, wodurch eine Reihe von Frenkel-Defekten im Gitter entsteht. Bei den Zusammenstößen entsteht auch Wärme (durch den elektronischen Energieverlust), und möglicherweise werden Atome umgewandelt. Das Ausmaß der Schäden ist so groß, dass ein einziges 1-MeV-Neutron, das einen PKA in einem Eisengitter erzeugt, etwa 1.100 Frenkel-Paare hervorruft. Das gesamte Kaskadenereignis vollzieht sich auf einer Zeitskala von 1 × 10-13 Sekunden und kann daher nur in Computersimulationen des Ereignisses „beobachtet“ werden.

Die angestoßenen Atome enden in Nichtgleichgewichts-Zwischengitterpositionen, von denen viele sich selbst annihilieren, indem sie in benachbarte freie Gitterplätze zurückdiffundieren und das geordnete Gitter wiederherstellen. Diejenigen, die dies nicht tun oder nicht können, hinterlassen Leerstellen, was einen lokalen Anstieg der Leerstellenkonzentration weit über die Gleichgewichtskonzentration hinaus bewirkt. Diese Leerstellen neigen dazu, infolge thermischer Diffusion in Richtung von Leerstellensenken (d. h. Korngrenzen, Versetzungen) zu wandern, bleiben aber für eine beträchtliche Zeit bestehen, während der zusätzliche hochenergetische Teilchen das Gitter beschießen, wodurch Kollisionskaskaden und zusätzliche Leerstellen entstehen, die in Richtung der Senken wandern. Die wichtigste Auswirkung der Bestrahlung eines Gitters ist der erhebliche und anhaltende Fluss von Defekten zu Senken, der so genannte Defektwind. Leerstellen können auch vernichtet werden, indem sie sich miteinander verbinden, um Versetzungsschleifen und später Gitterhohlräume zu bilden.

Die Kollisionskaskade erzeugt viel mehr Leerstellen und Zwischengitterplätze im Material als im Gleichgewicht bei einer bestimmten Temperatur, und die Diffusivität im Material wird dadurch dramatisch erhöht. Dies führt zu einem Effekt, der als strahlungsunterstützte Diffusion bezeichnet wird und im Laufe der Zeit zu einer mikrostrukturellen Entwicklung des Materials führt. Die Mechanismen, die zur Entwicklung der Mikrostruktur führen, sind vielfältig, können mit der Temperatur, dem Fluss und der Fluenz variieren und sind Gegenstand umfangreicher Studien.

• Strahlungsinduzierte Entmischung resultiert aus dem oben erwähnten Fluss von Leerstellen zu Senken, was einen Fluss von Gitteratomen weg von Senken impliziert; aber nicht notwendigerweise im gleichen Verhältnis zur Legierungszusammensetzung im Falle eines legierten Materials. Diese Flüsse können daher zu einer Verarmung der Legierungselemente in der Nähe der Senken führen. Bei dem durch die Kaskade eingeführten Fluss von Zwischengittersteinen ist die Wirkung umgekehrt: Die Zwischengittersteine diffundieren in Richtung der Senken, was zu einer Anreicherung der Legierung in der Nähe der Senke führt.
• Versetzungsschleifen werden gebildet, wenn sich Leerstellen in einer Gitterebene anhäufen. Wenn sich diese Leerstellenkonzentration in drei Dimensionen ausdehnt, bildet sich ein Hohlraum. Definitionsgemäß befinden sich Hohlräume im Vakuum, können aber bei Alphastrahlung (Helium) oder bei der Erzeugung von Gas durch Transmutationsreaktionen gasgefüllt werden. Der Hohlraum wird dann als Blase bezeichnet und führt zu einer Dimensionsinstabilität (neutroneninduzierte Quellung) der der Strahlung ausgesetzten Teile. Das Aufquellen stellt ein großes langfristiges Konstruktionsproblem dar, insbesondere bei Reaktorkomponenten aus rostfreiem Stahl. Bei Legierungen mit kristallografischer Isotropie, wie z. B. Zirkallegierungen, kommt es zur Bildung von Versetzungsschleifen, aber nicht zur Bildung von Hohlräumen. Stattdessen bilden sich die Schleifen auf bestimmten Gitterebenen und können zu bestrahlungsinduziertem Wachstum führen, ein Phänomen, das sich von der Quellung unterscheidet, aber auch zu erheblichen Dimensionsänderungen in einer Legierung führen kann.
• Die Bestrahlung von Werkstoffen kann auch Phasenumwandlungen im Material hervorrufen: Im Falle eines Mischkristalls kann die Anreicherung oder Abreicherung von gelösten Stoffen an Senken durch strahleninduzierte Entmischung zur Ausscheidung neuer Phasen im Material führen.

Zu den mechanischen Auswirkungen dieser Mechanismen gehören Strahlungshärtung, Versprödung, Kriechen und umweltbedingte Rissbildung. Die Defektcluster, Versetzungsschleifen, Hohlräume, Blasen und Ausscheidungen, die infolge der Bestrahlung in einem Werkstoff entstehen, tragen alle zur Verfestigung und Versprödung (Verlust der Duktilität) des Werkstoffs bei. Die Versprödung ist besonders für das Material des Reaktordruckbehälters von Bedeutung, da die zum Bruch des Behälters erforderliche Energie erheblich abnimmt. Es ist möglich, die Duktilität durch Ausglühen der Defekte wiederherzustellen, und die Verlängerung der Lebensdauer von Kernreaktoren hängt zu einem großen Teil davon ab, dass dies sicher möglich ist. Auch das Kriechen wird in bestrahlten Werkstoffen stark beschleunigt, allerdings nicht aufgrund der erhöhten Diffusionsfähigkeit, sondern aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Gitterspannung und dem sich entwickelnden Gefüge. Die umweltunterstützte Rissbildung oder genauer gesagt die bestrahlungsunterstützte Spannungsrisskorrosion (IASCC) wird vor allem bei Legierungen beobachtet, die Neutronenstrahlung ausgesetzt sind und mit Wasser in Berührung kommen. Sie wird durch die Wasserstoffabsorption an den Rissspitzen verursacht, die aus der Radiolyse des Wassers resultiert und zu einer Verringerung der für die Ausbreitung des Risses erforderlichen Energie führt.