钢轨的材质和机械性能主要取决于钢轨的化学成分、物理力学性能、金属组织及热处理工艺。轨道配件
钢轨钢的化学成分除含铁（Fe）外，还含有碳（C）、锰（Mn）、硅（Si）及磷（P）、硫（S）等元素。碳对钢的性质影响最大。提高钢的含碳量，其抗拉强度、耐磨性及硬度均迅速增加。例如，当含碳量从0.35%增加为0.65%，可使平炉钢轨的耐磨性能提高60%。但含碳量过高，也会使钢轨的伸长率、断面收缩率和冲击韧性显著下降。因此，一般含碳量不超过0.82%。
锰可以提高钢的强度和韧性，去除有害的氧化铁和硫夹杂物，其含量一般为0.6%～1.0%。锰含量超过1.2%者称中锰钢，其抗磨性能很高。轨道配件
硅易与氧化合，故能去除钢中气泡，增加密度，使钢质密实细致。在碳素钢中，硅含量一般为0.15%~0.30%.提高钢的含硅量也能提高钢轨的耐磨性能。
磷与硫在钢中均属有害成分。磷过多（超过0.1%），使钢轨具有冷脆性，在冬季严寒地区，易突然断裂。硫不溶于铁，不论含量多少均生成硫化铁，在985℃时，呈晶态结晶析出。这种晶体性脆易溶，使金属在800~1200℃时发脆，在钢轨轧制或热加工过程中容易出现大量废品。所以磷、硫的含量必须严格加以控制。
表中除U71、U74为碳素钢外，其他均为提高锰、硅含量或增加铜含量的中锰、高硅或含铜合金钢。
钢轨钢的物理力学性能包括强度极限σb、屈服极限σs、疲劳极限σr、伸长率δ5、断面收缩率ψ、冲击韧性(落锤试验)αh及硬度等。这些指标对钢轨的承载能力、磨损、压溃、断裂和其他伤损有很大的影响。
钢轨接头处轮轨冲击力很大，为加强接头处钢轨的抗磨能力，在钢轨两端30~70mm范围内进行轨顶淬火，淬火深度达8-12 mm。轨道配件
为提高钢轨耐磨和抗压性能，还应对钢轨进行全长淬火处理。它是采用电感应加热的方法，以局部改变轨头钢的组织，从而提高钢轨的强度和韧性。
综前所述，为适应高速、重载的需要，钢轨要重型化，但钢轨重型化后，若不采用强化技术，又会带来其它的问题。由于重型 钢轨的刚度大，相应弯曲变形较小，列车车轮对钢轨的动力作用大部分作用在轮轨接触区，同时由于重型钢轨扭转中心接近轨底，轨尖产生的纵向正应力远远大于轨底的纵向正应力，从而加速了重型钢轨轨头病害的发展。一般来讲，钢轨愈重，钢轨的伤损数量减少，但接触疲劳伤损总数的比例提高。如前苏联实现钢轨重型化后，钢轨伤损总数量大量减少，但50kh/m、65kg/m、75kg/m钢轨的轨头伤损却分别占伤损总数的75%、80%、94%。重型钢轨的强化有两种技术路线：一是钢轨合金化，它生产工艺简单，投资少，能源消耗少，钢轨整体强化，表层硬度均匀，可焊性好；二是碳素钢热处理，这种方法也可获得同样的高强度和表面硬度，同时韧性好，节省合金，适于大批量生产。冶金学原理及冶金工业生产实践认为：如不改变钢种，单凭碳素钢热处理，很难再大幅度地提高强度，唯有微合金与热处理相结合，二者相辅相成，才可得到既有更高强度，并有相应韧性、硬度和可焊性的优质钢轨。轨道配件
目前我国使用的钢轨，抗拉强度约为900Mpa。还有部分PD2全长淬火轨、PD3高碳微钒轨，抗拉萨市强度在1000 Mpa以上。PD3高碳微钒轨，抗拉强度在1300 Mpa，可延长钢轨使用寿命50%以上。
淬火轨对材质纯净度的要求比普通钢轨更高，如果不提高钢轨的纯净度，钢轨重型化及强韧化的优势也不能更好地发挥，因此材质纯净化是重型化和强韧化的基础。例如钢轨中非金属夹杂、钢轨金属薄弱区的存在等，都是钢轨产生疲劳伤损的根源，以这些疲劳源为中心形成核伤，对行车安全构成威胁。钢轨重型化、强韧化和纯净化应当有机地统一，才能获得最佳综合技术经济效益。
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