Korkea-energiset neutronit vaurioittavat ja hajottavat materiaaleja ajan mittaan; materiaalien pommittaminen neutroneilla synnyttää törmäyskaskadeja, jotka voivat synnyttää materiaaliin pisteviallisia vikoja ja dislokaatioita, joiden syntyminen on ensisijainen tekijä säteilyn vaikutuksille altistuneissa materiaaleissa ajan mittaan tapahtuvien mikrorakennemuutosten taustalla. Suurilla neutronivirtauksilla tämä voi johtaa metallien ja muiden materiaalien haurastumiseen ja joissakin niistä neutronien aiheuttamaan turvotukseen. Tämä on ongelma ydinreaktorisäiliöille ja rajoittaa merkittävästi niiden käyttöikää (jota voidaan jonkin verran pidentää säiliön kontrolloidulla hehkutuksella, joka vähentää kerääntyneiden dislokaatioiden määrää). Grafiittiset neutronimoderaattorilohkot ovat erityisen alttiita tälle ilmiölle, joka tunnetaan nimellä Wignerin ilmiö, ja niitä on hehkutettava säännöllisesti. Windscalen tulipalo johtui tällaisessa hehkutuksessa sattuneesta virheestä.

Materiaalien säteilyvauriot syntyvät energeettisen hiukkasen (neutroni tai muu) vuorovaikutuksesta materiaalin ristikkoatomin kanssa. Törmäys aiheuttaa massiivisen kineettisen energian siirtymisen ristikkoatomiin, joka siirtyy pois ristikkopaikaltaan ja muuttuu niin sanotuksi primaariseksi knock-on-atomiksi (PKA). Koska PKA-atomia ympäröivät muut ristikkoatomit, sen siirtyminen ja kulkeminen ristikon läpi johtaa moniin myöhempiin törmäyksiin ja uusien knock-on-atomien syntymiseen, jolloin syntyy niin sanottu törmäyskaskadi tai siirtymiskaskadi. Ne menettävät energiaa jokaisen törmäyksen yhteydessä ja päätyvät interstitiaaleiksi, jolloin ristikkoon syntyy käytännössä sarja Frenkelin vikoja. Törmäysten seurauksena syntyy myös lämpöä (elektronisen energian häviämisestä), samoin kuin mahdollisesti muuntuneita atomeja. Vaurion suuruusluokka on sellainen, että yksi 1 MeV:n neutroni, joka luo PKA:n rautaristikossa, tuottaa noin 1100 Frenkel-paria. Koko kaskaditapahtuma tapahtuu 1 × 10-13 sekunnin aikaskaalassa, ja siksi sitä voidaan ”havainnoida” vain tapahtuman tietokonesimulaatioissa.

Törmäysatomit päätyvät epätasapainossa oleviin ristikon välisiin asentoihin, joista monet annihiloituvat diffundoitumalla takaisin viereisiin vapaisiin ristikkopaikkoihin ja palauttavat järjestyneen ristikon. Ne, jotka eivät näin tee tai eivät voi tehdä, jättävät tyhjiä paikkoja, mikä aiheuttaa tyhjien paikkojen konsentraation paikallisen nousun huomattavasti tasapainokonsentraatiota suuremmaksi. Näillä vakansseilla on taipumus siirtyä termisen diffuusion seurauksena kohti vakanssinieluja (eli raerajoja, sijoiltaanmenoja), mutta ne ovat olemassa huomattavan kauan, jolloin korkea-energiset hiukkaset pommittavat ristikkoa, jolloin syntyy törmäyskaskadeja ja lisää vakansseja, jotka siirtyvät kohti nieluja. Säteilytyksen päävaikutus ristikkoon on merkittävä ja jatkuva vikojen virtaus nieluihin niin kutsutussa vikatuulessa. Vakanssit voivat myös annihiloitua yhdistymällä toisiinsa muodostaen dislokaatiosilmukoita ja myöhemmin ristikon tyhjätiloja.

Törmäyskaskadi synnyttää materiaaliin paljon enemmän vakansseja ja interstitiaaleja kuin mitä tasapainossa on tietyssä lämpötilassa, ja sen seurauksena diffuusiokyky materiaalissa kasvaa dramaattisesti. Tämä johtaa vaikutukseen, jota kutsutaan säteilyn tehostamaksi diffuusioksi ja joka johtaa materiaalin mikrorakenteen kehittymiseen ajan myötä. Mikrorakenteen kehittymiseen johtavia mekanismeja on monia, ne voivat vaihdella lämpötilan, säteilyvirran ja fluenssin mukaan, ja niitä tutkitaan laajasti.

• Säteilyn aiheuttama segregaatio on seurausta edellä mainitusta tyhjien paikkojen virtauksesta nieluihin, mikä merkitsee ristikkoatomien virtausta pois nieluista; mutta ei välttämättä samassa suhteessa seoksen koostumuksen kanssa, jos kyseessä on seostettu materiaali. Nämä virtaukset voivat siis johtaa seosaineiden ehtymiseen nielujen läheisyydessä. Kaskadin tuomien interstitiaalien virtauksen osalta vaikutus on päinvastainen: interstitiaalit diffundoituvat kohti nieluja, mikä johtaa seoksen rikastumiseen nielujen lähellä.
• Dislokaatiosilmukoita muodostuu, jos vakanssit muodostavat klustereita ristikkotasolle. Jos nämä vakanssien keskittymät laajenevat kolmiulotteisesti, muodostuu tyhjiö. Määritelmän mukaan tyhjiöt ovat tyhjiössä, mutta ne voivat täyttyä kaasulla alfahiukkassäteilyn (helium) vaikutuksesta tai jos kaasua syntyy transmutaatioreaktioiden seurauksena. Tällöin tyhjiötä kutsutaan kuplaksi, ja se johtaa säteilylle altistuvien osien mittasuhteiden epävakauteen (neutronien aiheuttama paisuminen). Turvotus on merkittävä pitkän aikavälin suunnitteluongelma erityisesti ruostumattomasta teräksestä valmistetuissa reaktorikomponenteissa. Kiteellisesti isotrooppiset seokset, kuten zirkalaseokset, altistuvat sijoiltaanmenosilmukoiden muodostumiselle, mutta niissä ei esiinny tyhjiönmuodostusta. Sen sijaan silmukat muodostuvat tiettyihin ristikkotasoihin, ja ne voivat johtaa säteilyn aiheuttamaan kasvuun, joka on turvotuksesta erillinen ilmiö, mutta joka voi myös aiheuttaa seokseen merkittäviä mittamuutoksia.
• Materiaalien säteilytys voi myös saada aikaan faasimuunnoksia materiaalissa: kiinteän liuoksen tapauksessa aineen rikastuminen tai köyhtyminen nieluissa säteilyn aiheuttama segregaatio voi johtaa uusien faasien saostumiseen materiaalissa.

Näiden mekanismien mekaanisia vaikutuksia ovat säteilyn aiheuttama kovettuminen, haurastuminen, viruminen ja ympäristöstä johtuva halkeilu. Materiaalissa säteilyn seurauksena syntyvät vikaklusterit, dislokaatiosilmukat, tyhjät tilat, kuplat ja saostumat edistävät kaikki materiaalin lujittumista ja haurastumista (sitkeyden heikkenemistä). Haurastuminen on erityisen huolestuttavaa reaktoripainesäiliön materiaalin osalta, sillä sen seurauksena säiliön murtumiseen tarvittava energia vähenee merkittävästi. Sitkeys on mahdollista palauttaa hehkuttamalla viat pois, ja suuri osa ydinreaktorien käyttöiän pidentämisestä riippuu siitä, voidaanko tämä tehdä turvallisesti. Myös viruminen nopeutuu huomattavasti säteilytetyissä materiaaleissa, mutta se ei johdu lisääntyneestä diffuusiokyvystä vaan pikemminkin ristikkojännityksen ja kehittyvän mikrorakenteen välisestä vuorovaikutuksesta. Ympäristön vaikutuksesta tapahtuvaa halkeilua tai tarkemmin sanottuna säteilyn vaikutuksesta tapahtuvaa jännityskorroosiohalkeilua (IASCC, irradiation-assisted stress corrosion cracking) havaitaan erityisesti neutronisäteilylle altistetuissa ja veden kanssa kosketuksissa olevissa seoksissa, mikä aiheutuu vedyn absorboitumisesta särön kärjissä veden radiolyysin seurauksena, mikä johtaa särön etenemiseen tarvittavan energian vähenemiseen.