Nutroner med hög energi skadar och bryter ner material med tiden; bombardering av material med neutroner skapar kollisionskaskader som kan ge upphov till punktdefekter och förskjutningar i materialet, vilket är den primära drivkraften bakom mikrostrukturella förändringar som sker med tiden i material som utsätts för strålning. Vid höga neutronfluenser kan detta leda till försprödning av metaller och andra material och till neutroninducerad svullnad i vissa av dem. Detta utgör ett problem för kärnreaktorkärl och begränsar avsevärt deras livslängd (som kan förlängas något genom kontrollerad glödgning av kärlet, vilket minskar antalet uppbyggda dislokationer). Neutronmoderatorblock av grafit är särskilt känsliga för denna effekt, den så kallade Wigner-effekten, och måste glödgas med jämna mellanrum. Branden i Windscale orsakades av ett missöde under en sådan glödgning.

Strålningsskador på material uppstår som ett resultat av interaktionen mellan en energirik infallspartikel (en neutron, eller på annat sätt) och en gitteratom i materialet. Kollisionen orsakar en massiv överföring av kinetisk energi till gitteratomen, som förskjuts från sin gitterplats och blir vad som kallas den primära knock-on-atomen (PKA). Eftersom PKA är omgiven av andra atomer i gittret resulterar dess förskjutning och passage genom gittret i många efterföljande kollisioner och skapandet av ytterligare knock-on-atomer, vilket ger upphov till vad som kallas kollisionskaskad eller förskjutningskaskad. De nya atomerna förlorar energi vid varje kollision och slutar som interstitialer, vilket i praktiken skapar en serie Frenkeldefekter i gittret. Värme skapas också som ett resultat av kollisionerna (från elektronisk energiförlust), liksom eventuellt transmuterade atomer. Skadornas omfattning är sådan att en enda neutron på 1 MeV som skapar en PKA i ett järngitter ger upphov till cirka 1 100 Frenkelpar. Hela kaskadhändelsen inträffar på en tidsskala av 1 × 10-13 sekunder och kan därför endast ”observeras” i datorsimuleringar av händelsen.

Knock-on-atomerna slutar i icke jämviktslägen i interstitiella gitterpositioner, av vilka många annihilerar sig själva genom att diffundera tillbaka in i angränsande lediga gitterplatser och återställer det ordnade gittret. De som inte gör det eller inte kan lämna vakanser, vilket orsakar en lokal ökning av vakanskoncentrationen långt över jämviktskoncentrationen. Dessa vakanser tenderar att vandra till följd av termisk diffusion mot vakanssänkor (dvs. korngränser, dislokationer), men de finns kvar under en längre tid, då ytterligare högenergipartiklar bombarderar gittret, vilket skapar kollisionskaskader och ytterligare vakanser, som vandrar mot sänkorna. Den viktigaste effekten av bestrålning i ett gitter är det betydande och ihållande flödet av defekter till sänkor i vad som kallas defektvinden. Vakanser kan också förintas genom att kombinera sig med varandra för att bilda dislokationsslingor och senare gittertomrum.

Kollisionskaskaden skapar många fler vakanser och interstitialer i materialet än vad som är i jämvikt för en given temperatur, och diffusiviteten i materialet ökar dramatiskt till följd av detta. Detta leder till en effekt som kallas strålningsförstärkt diffusion, vilket leder till mikrostrukturell utveckling av materialet över tiden. Mekanismerna som leder till mikrostrukturens utveckling är många, kan variera med temperatur, flöde och fluens och är föremål för omfattande studier.

• Strålningsinducerad segregering är ett resultat av det tidigare nämnda flödet av vakanser till sänkor, vilket innebär ett flöde av gitteratomer bort från sänkor; men inte nödvändigtvis i samma proportion till legeringssammansättningen i fallet med ett legerat material. Dessa flöden kan därför leda till utarmning av legeringsämnen i närheten av sänkor. När det gäller flödet av interstitialer som introduceras av kaskaden är effekten den omvända: interstitialerna diffunderar mot sänkor, vilket leder till en anrikning av legeringen i närheten av sänkorna.
• Dislokationsslingor bildas om vakanser bildar kluster på ett gitterplan. Om dessa koncentrationer av vakanser expanderar i tre dimensioner bildas ett tomrum. Per definition är tomrummen under vakuum, men de kan bli gasfyllda vid alfapartikelstrålning (helium) eller om gasen produceras som ett resultat av transmutationsreaktioner. Tomrummet kallas då en bubbla och leder till dimensionell instabilitet (neutroninducerad svullnad) hos delar som utsätts för strålning. Svullnad utgör ett stort långsiktigt konstruktionsproblem, särskilt i reaktorkomponenter av rostfritt stål. Legeringar med kristallografisk isotropi, t.ex. zircaloys, är föremål för skapandet av dislokationsslingor, men uppvisar inte hålrumsbildning. I stället bildas slingorna på särskilda gitterplan och kan leda till bestrålningsinducerad tillväxt, ett fenomen som skiljer sig från svullnad, men som också kan ge upphov till betydande dimensionsförändringar i en legering.
• Bestrålning av material kan också framkalla fasomvandlingar i materialet: när det gäller en fast lösning kan anrikning eller utarmning av lösta ämnen vid sänkor strålningsinducerad segregering leda till utfällning av nya faser i materialet.

De mekaniska effekterna av dessa mekanismer omfattar bestrålningshärdning, försprödning, krypning och miljöassisterad sprickbildning. De defektkluster, dislokationsslingor, håligheter, bubblor och utfällningar som produceras till följd av strålning i ett material bidrar alla till förstärkning och försprödning (förlust av duktilitet) i materialet. Försprödning är särskilt viktigt för det material som ingår i reaktorns tryckkärl, där den energi som krävs för att bryta kärlet minskar avsevärt. Det är möjligt att återställa duktiliteten genom att glöda bort defekterna, och en stor del av livstidsförlängningen för kärnreaktorer beror på möjligheten att göra detta på ett säkert sätt. Krypning påskyndas också kraftigt i bestrålade material, dock inte som ett resultat av den ökade diffusiviteten, utan snarare som ett resultat av samspelet mellan gitterspänningar och den framväxande mikrostrukturen. Miljöassisterad sprickbildning eller, mer specifikt, bestrålningsassisterad spänningskorrosionssprickbildning (IASCC) observeras särskilt i legeringar som utsätts för neutronstrålning och som är i kontakt med vatten, vilket orsakas av väteabsorption vid sprickspetsarna till följd av radiolys av vattnet, vilket leder till en minskning av den energi som krävs för att sprida sprickan.