Wysokoenergetyczne neutrony niszczą i degradują materiały w czasie; bombardowanie materiałów neutronami tworzy kaskady zderzeń, które mogą wytwarzać defekty punktowe i dyslokacje w materiale, których tworzenie jest głównym czynnikiem zmian mikrostrukturalnych zachodzących w czasie w materiałach wystawionych na działanie promieniowania. Przy wysokich fluktuacjach neutronów może to prowadzić do kruchości metali i innych materiałów, a także do indukowanego neutronami pęcznienia niektórych z nich. Stanowi to problem w przypadku zbiorników reaktorów jądrowych i znacznie ogranicza ich żywotność (którą można nieco wydłużyć poprzez kontrolowane wyżarzanie zbiornika, zmniejszające liczbę nagromadzonych dyslokacji). Grafitowe bloki moderatorów neutronów są szczególnie podatne na ten efekt, znany jako efekt Wignera, i muszą być okresowo wyżarzane. Pożar w Windscale był spowodowany nieszczęśliwym wypadkiem podczas takiej operacji wyżarzania.

Uszkodzenia radiacyjne materiałów powstają w wyniku interakcji energicznej cząstki padającej (neutronu lub innej) z atomem sieci w materiale. Zderzenie powoduje masywny transfer energii kinetycznej do atomu sieci, który zostaje wypchnięty ze swojego miejsca w sieci, stając się tak zwanym atomem pierwotnym (PKA – primary knock-on atom). Ponieważ PKA jest otoczony przez inne atomy sieci, jego przemieszczenie i przejście przez sieć powoduje wiele kolejnych zderzeń i powstawanie dodatkowych atomów typu knock-on, co jest znane jako kaskada zderzeń lub kaskada przemieszczeń. Atomy te tracą energię przy każdym zderzeniu i kończą pracę jako interstycjalne, tworząc serię defektów Frenkla w siatce. W wyniku zderzeń powstaje również ciepło (z elektronowej utraty energii), a także ewentualnie transmutowane atomy. Rozmiar uszkodzeń jest taki, że pojedynczy neutron o energii 1 MeV tworzący PKA w siatce żelaza wytwarza około 1100 par Frenkla. Całe zdarzenie kaskadowe zachodzi w skali czasowej 1 × 10-13 sekundy i dlatego może być „zaobserwowane” tylko w symulacjach komputerowych tego zdarzenia.

Powstałe atomy kończą swój żywot w nierównowagowych międzywęzłowych pozycjach sieciowych, z których wiele anihiluje się dyfundując z powrotem do sąsiednich wolnych miejsc sieciowych i przywracając uporządkowaną sieć. Te, które tego nie robią lub nie mogą, pozostawiają wakanse, co powoduje lokalny wzrost stężenia wakansów znacznie powyżej stężenia równowagowego. Te wakanse mają tendencję do migracji w wyniku dyfuzji termicznej w kierunku miejsc zrzutu wakansów (np. granice ziaren, dyslokacje), ale istnieją przez znaczny okres czasu, podczas którego dodatkowe wysokoenergetyczne cząstki bombardują sieć, tworząc kaskady zderzeń i dodatkowe wakanse, które migrują w kierunku miejsc zrzutu. Głównym efektem napromieniowania w sieci jest znaczny i trwały strumień defektów do zlewów w tak zwanym wietrze defektowym. Wakaty mogą również anihilować, łącząc się ze sobą, tworząc pętle dyslokacji, a później pustki w sieci.

Kaskada zderzeń powoduje powstanie w materiale znacznie większej ilości wakatów i międzywęźli niż równowaga dla danej temperatury, a dyfuzyjność w materiale jest w rezultacie dramatycznie zwiększona. Prowadzi to do efektu zwanego dyfuzją wspomaganą promieniowaniem, który z czasem prowadzi do ewolucji mikrostrukturalnej materiału. Mechanizmów prowadzących do ewolucji mikrostruktury jest wiele, mogą się one zmieniać w zależności od temperatury, strumienia i fluencji i są przedmiotem szeroko zakrojonych badań.

• Segregacja wywołana promieniowaniem wynika z wyżej wspomnianego strumienia wakansów do zlewów, co implikuje strumień atomów sieci od zlewów; ale niekoniecznie w tej samej proporcji do składu stopu w przypadku materiału stopowego. Strumienie te mogą zatem prowadzić do zubożenia pierwiastków stopowych w pobliżu zlewów. W przypadku strumienia międzywęzłowego wprowadzonego przez kaskadę, efekt jest odwrotny: międzywęzłowe dyfundują w kierunku zlewów, co powoduje wzbogacenie stopu w pobliżu zlewu.
• Pętle dyslokacyjne powstają, gdy wakanse tworzą skupiska na płaszczyźnie sieci. Jeśli te koncentracje wakansów rozszerzają się w trzech wymiarach, tworzy się pustka. Z definicji pustki znajdują się w próżni, ale mogą stać się wypełnione gazem w przypadku promieniowania cząstek alfa (hel) lub gdy gaz powstaje w wyniku reakcji transmutacji. Pustka nazywana jest wtedy pęcherzykiem i prowadzi do niestabilności wymiarowej (pęcznienie indukowane neutronami) części poddawanych promieniowaniu. Pęcznienie stanowi poważny, długoterminowy problem projektowy, szczególnie w przypadku elementów reaktora wykonanych ze stali nierdzewnej. Stopy z izotropowością krystalograficzną, takie jak stopy Zircaloy są narażone na tworzenie się pętli dyslokacji, ale nie wykazują tworzenia się pustek. Zamiast tego, pętle tworzą się na określonych płaszczyznach sieci i mogą prowadzić do wzrostu indukowanego napromieniowaniem, zjawiska różnego od pęcznienia, ale które może również powodować znaczące zmiany wymiarowe w stopie.
• Promieniowanie materiałów może również wywoływać przemiany fazowe w materiale: w przypadku roztworu stałego, wzbogacenie lub zubożenie rozpuszczalnika w zlewach segregacja wywołana promieniowaniem może prowadzić do wytrącania się nowych faz w materiale.