Engineering With Rubber TOC
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Transcript of Engineering With Rubber TOC
Alan N. Gent
Engineering with RubberHow to Design Rubber Components
3rd Edition
Gent Engineering with Rubber
Engineering with Rubber
Alan N. Gent
Hanser Publishers, Munich Hanser Publications, Cincinnati
How to Design Rubber Components
3rd Edition
The Editor:Dr. Alan N. Gent, 4498 Cobblestone Trail, Ravenna, OH 44266-8249, USA
Distributed in North and South America by: Hanser Publications 6915 Valley Avenue, Cincinnati, Ohio 45244-3029, USA Fax: (513) 527-8801 Phone: (513) 527-8977 www.hanserpublications.com
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Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
Engineering with rubber : how to design rubber components / [edited by] Alan N. Gent. -- 3rd ed. p. cm. Includes bibliographical references and index. ISBN 978-3-446-42764-8 (hardcover) -- ISBN 978-1-56990-508-1 (hardcover) 1. Rubber. 2. Engineering design. I. Gent, Alan N. TA455.R8E54 2012 620.1’94--dc23 2011045185
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
ISBN 978-3-446-42764-8E-Book-ISBN 978-3-446-42871-3
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Contents
Preface to Third Edition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV
Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVII
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Rubber in Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Dynamic Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 General Design Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5 Thermal Expansivity, Pressure, and Swelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.6 Specific Applications and Operating Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.7 Seal Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.8 Seal Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Materials and Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Elastomer Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 General Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.1.1 Styrene-Butadiene Rubber (SBR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.1.2 Polyisoprene (NR, IR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.1.3 Polybutadiene (BR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Specialty Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.2.1 Polychloroprene (CR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.2.2 Acrylonitrile-Butadiene Rubber (NBR) . . . . . . . . . . . . . . 152.2.2.3 Hydrogenated Nitrile Rubber (HNBR) . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.2.4 Butyl Rubber (IIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.2.5 Ethylene-Propylene Rubber (EPR, EPDM) . . . . . . . . . . . . 152.2.2.6 Silicone Rubber (MQ, VMQ, PMQ, PVMQ) . . . . . . . . . . . 162.2.2.7 Polysulfide Rubber (T) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.2.8 Chlorosulfonated Polyethylene (CSM) . . . . . . . . . . . . . . . 16
VI Contents
2.2.2.9 Chlorinated Polyethylene (CM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.2.10 Ethylene-Methyl Acrylate Rubber (AEM) . . . . . . . . . . . . 172.2.2.11 Acrylic Rubber (ACM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.2.12 Fluorocarbon Rubbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.2.13 Epichlorohydrin Rubber (CO, ECO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.2.14 Urethane Rubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Compounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3.1 Vulcanization and Curing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.1.1 Sulfur Curing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3.1.2 Determination of Crosslink Density . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.1.3 Influence of Crosslink Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.1.4 Other Cure Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 Reinforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3.3 Anti-Degradants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.3.1 Ozone Attack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3.3.2 Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.4 Process Aids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3.5 Extenders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3.6 Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4 Typical Rubber Compositions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Acknowledgment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Problems for Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Answers to Problems for Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2 Elastic Properties at Small Strains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1 Elastic Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2.2 Relation Between Shear Modulus G and Composition . . . . . . . . . 413.2.3 Stiffness of Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3.1 Choice of Shear Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.2.3.2 Shear Deformations of Bonded Blocks and Hollow
Cylindrical Tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.2.3.3 Small Compressions or Extensions of Bonded Blocks . 473.2.3.4 Compression of Blocks Between Frictional Surfaces . . 503.2.3.5 Maximum Allowable Loads in Tension and
Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2.3.6 Indentation of Rubber Blocks by Rigid Indentors . . . . . 533.2.3.7 Compression of O-rings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.2.3.8 Protrusion of Rubber Through a Hole or Slit . . . . . . . . . 55
VII Contents
3.3 Large Deformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.3.1 General Theory of Large Elastic Deformations . . . . . . . . . . . . . . . . 563.3.2 Forms for W Valid at Large Strains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.3.3 Stress-Strain Relations in Selected Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.3.1 Simple Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.3.3.2 Equibiaxial Stretching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.3.3.3 Constrained Tension (Pure Shear) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3.4 Determining the Strain Energy Function W . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.3.4.1 Elastic Behavior of Filled Rubber Vulcanizates . . . . . . . 653.3.4.2 Does Any Strain Energy Function Apply? . . . . . . . . . . . . 67
3.3.5 Other Stress-Strain Relations Valid at Large Strains . . . . . . . . . . 673.3.5.1 Simple Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.3.5.2 Torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.3.5.3 Instability in Torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.3.5.4 Inflation of a Thin-Walled Tube [58] . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.3.5.5 Inflation of a Spherical Shell (Balloon) . . . . . . . . . . . . . . 743.3.5.6 Inflation of a Spherical Cavity;
Explosive Decompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.3.5.7 Surface Creasing in Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4 Molecular Theory of Rubber Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783.4.1 Elastic Behavior of a Molecular Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783.4.3 Effective Density of Network Strands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.4.4 The Second Term in the Strain Energy Function . . . . . . . . . . . . . . 823.4.5 Concluding Remarks on Molecular Theories . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Problems for Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Answers to Selected Problems for Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4 Dynamic Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.2 Stress Waves in Rubbery Solids, Transit Times, and Speeds of
Retraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.3 Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.4 Dynamic Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.5 Energy Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.6 Motion of a Suspended Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.7 Experimental Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.7.1 Forced Nonresonance Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.7.2 Forced Resonance Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.7.3 Free Vibration Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
VIII Contents
4.7.4 Rebound Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.7.5 Effect of Static and Dynamic Strain Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.8 Application of Dynamic Mechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.8.1 Heat Generation in Rubber Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.8.2 Vibration Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.8.3 Shock Absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.9 Effects of Temperature and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1104.10 Thixotropic Effects in Filled Rubber Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Problems for Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Answers to Problems for Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5 Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195.2 Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.1 Analysis of the Test Pieces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1225.2.2 The Strain Energy Concentration at a Crack Tip . . . . . . . . . . . . . 123
5.3 Tear Behavior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1255.4 Crack Growth under Repeated Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4.1 The Fatigue Limit and the Effect of Ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325.4.2 Physical Interpretation of G0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335.4.3 Effects of Type of Elastomer and Filler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.4.4 Effect of Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.4.5 Effects of Frequency and Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.4.6 Nonrelaxing Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.4.7 Time-Dependent Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.5 Ozone Attack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1385.6 Tensile Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.7 Crack Growth in Shear and Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.8 Cavitation and Related Failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149Problems for Chapter 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152Answers to Problems for Chapter 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6 Mechanical Fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1596.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1596.2 Application of Fracture Mechanics to Mechanical Fatigue of Rubber . 1616.3 Initiation and Propagation of Cracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.3.1 Fatigue Crack Initiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
IX Contents
6.3.2 Fatigue Life and Crack Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1646.3.3 Fatigue Crack Propagation:
The Fatigue Crack Growth Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1666.3.4 Fatigue Life Determinations from the Crack Growth
Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1686.4 Fatigue Crack Growth Test Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.4.1 Experimental Determination of Dynamic Tearing Energies for Fatigue Crack Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.4.2 Kinetics of Crack Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1716.4.3 Effects of Test Variables on Fatigue Crack Growth
Characteristics and Dynamic Fatigue Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1726.4.3.1 Waveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1726.4.3.2 Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1726.4.3.3 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1726.4.3.4 Static Strain/Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.5 Material Variables and Their Effect on Fatigue Crack Growth . . . . . . . . 1766.5.1 Reinforcing Fillers and Compound Modulus. . . . . . . . . . . . . . . . . 1766.5.2 Elastomer Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1786.5.3 Vulcanizing System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1796.5.3 Fatigue of Double Network Elastomers and Blends. . . . . . . . . . . 181
6.6 Fatigue and Crack Growth of Rubber under Biaxial Stresses and Multiaxial Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.7 Fatigue in Rubber Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1846.7.1 Effect of Wires, Cords, and Their Spacing on Fatigue Crack
Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1856.7.2 Effect of Minimum Strain or Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1856.7.3 Comparison of S-N Curve and Fatigue Crack Propagation
Constants for Rubber-Wire Composites [53] . . . . . . . . . . . . . . . . . 1876.7.4 Fatigue of Two-Ply Rubber-Cord Laminates . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.8 Fatigue Cracking of Rubber in Compression and Shear Applications . 1896.8.1 Crack Growth in Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1896.8.2 Crack Growth in Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.9 Environmental Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1936.10 Modeling and Life Predictions of Elastomeric Components . . . . . . . . . . 1946.11 Fatigue Crack Propagation of Thermoplastic Elastomers . . . . . . . . . . . . . 1946.12 Durability of Thermoplastic Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1956.13 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198Problems for Chapter 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200Answers to Problems for Chapter 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
X Contents
7 Durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2057.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2057.2 Creep, Stress Relaxation, and Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.2.1 Creep. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2087.2.2 Stress Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2087.2.3 Physical Relaxation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2097.2.4 Chemical Relaxation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2117.2.5 Compression Set and Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2117.2.6 Case History Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.3 Longevity of Elastomers in Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147.3.1 Durability at Ambient Temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147.3.2 Sunlight and Weathering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2157.3.3 Ozone Cracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2157.3.4 Structural Bearings: Case Histories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.3.4.1 Natural Rubber Pads for a Rail Viaduct after 100 Years of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.3.4.2 Laminated Bridge Bearings after 20 Years of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.4 Effect of Low Temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2207.4.1 Glass Transition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2207.4.2 Crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.5 Effect of Elevated Temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2227.6 Effect of Fluid Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.6.1 Aqueous Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2297.6.2 Hydrocarbon Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2327.6.3 Hydrocarbon and Other Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
7.6.3.1 Pressurized CO2 for Assessing Interface Quality in Bonded Rubber/Rubber Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 240
7.6.4 Effects of Temperature and Chemical Fluid Attack . . . . . . . . . . . 2407.6.5 Effect of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
7.7 Durability of Rubber-Metal Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2437.7.1 Adhesion Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2437.7.2 Rubber-Metal Adhesive Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2457.7.3 Durability in Salt Water: Role of Electrochemical Potentials . . 246
7.8 Life Prediction Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248Acknowledgment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251Problems for Chapter 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253Answers to Problems for Chapter 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
XI Contents
8 Design of Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2598.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2598.2 Shear and Compression Bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
8.2.1 Planar Sandwich Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2618.2.2 Laminate Bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2678.2.3 Tube Form Bearings and Mountings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2698.2.4 Effective Shape Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
8.3 Vibration and Noise Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2758.3.1 Vibration Background Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2768.3.2 Design Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2788.3.3 Sample Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
8.4 Practical Design Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2878.5 Summary and Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290Problems for Chapter 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290Answers to Problems for Chapter 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
9a Finite Element Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2959a.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2959a.2 Material Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
9a.2.1 Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2979a.2.2 Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
9a.2.2.1 Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2989a.2.2.2 Non-Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
9a.2.2.2.1 Non-Linear Characteristics . . . . . . . . . . . . . . 3039a.2.2.2.2 Non-Linear Material Models . . . . . . . . . . . . . 3039a.2.2.2.3 Obtaining Material Data . . . . . . . . . . . . . . . . . 3049a.2.2.2.4 Obtaining the Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . 3099a.2.2.2.5 Mooney-Rivlin Material Coefficients . . . . . 310
9a.2.3 Elastomer Material Model Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3119a.2.3.1 ASTM 412 Tensile Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3119a.2.3.2 Pure Shear Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3129a.2.3.3 Bi-Axial Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3129a.2.3.4 Simple Shear Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
9a.3 Terminology and Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3139a.3.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3139a.3.2 Types of FEA Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3149a.3.3 Model Building . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3159a.3.4 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3179a.3.5 Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
XII Contents
9a.3.5.1 Tangent Stiffness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3189a.3.5.2 Newton-Raphson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3199a.3.5.3 Non-Linear Material Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3199a.3.5.4 Viscoelasticity (See Chapter 4). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3199a.3.5.5 Model Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
9a.3.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3209a.3.7 Linear Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3229a.3.8 Classical Verification – Non-Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
9a.4 Example Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3259a.4.1 Positive Drive Timing Belt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3259a.4.2 Dock Fender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3269a.4.3 Rubber Boot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3299a.4.4 Bumper Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3319a.4.5 Laminated Bearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3339a.4.6 Down Hole Packer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3359a.4.7 Bonded Sandwich Mount . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3379a.4.8 O-Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3399a.4.9 Elastomer Hose Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3399a.4.10 Sample Belt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
9b Developments in Finite Element Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3459b.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3459b.2 Material Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
9b.2.1 Hyperelastic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3469b.2.2 Compressibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3509b.2.3 Deviations from Hyperelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
9b.2.3.1 Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3519b.2.3.2 Stress-Softening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
9b.3 FEA Modelling Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3539b.3.1 Pre- and Post-Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3539b.3.2 Choice of Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3549b.3.3 Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3559b.3.4 Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
9b.4 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3569b.4.1 Stresses and Strains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3579b.4.2 Tearing Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
9b.5 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3599b.5.1 Load Deflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3599b.5.2 Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
XIII Contents
10 Tests and Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36510.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
10.1.1 Standard Test Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36510.1.2 Purpose of Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36610.1.3 Test Piece Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36610.1.4 Time Between Vulcanization and Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36710.1.5 Scope of This Chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
10.2 Measurement of Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36710.2.1 Young’s Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36810.2.2 Shear Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37010.2.3 Creep and Stress Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
10.2.3.1 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37310.2.3.2 Stress Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
10.3 Quality Control Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37410.3.1 Hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
10.3.1.1 Durometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37510.3.1.2 International Rubber Hardness Tester . . . . . . . . . . . . . . 376
10.3.2 Tensile Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37810.3.3 Compression Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38010.3.4 Accelerated Aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
10.3.4.1 Aging in an Air Oven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38110.3.4.2 Ozone Cracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
10.3.5 Liquid Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38410.3.5.1 Factors in Swelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38410.3.5.2 Swelling Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
10.3.6 Adhesion to Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38510.3.7 Processability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
10.4 Dynamic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39010.4.1 Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39210.4.2 Yerzley Oscillograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39310.4.3 Resonant Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39410.4.4 Servohydraulic Testers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39510.4.5 Electrodynamic Testers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39610.4.6 Preferred Test Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
10.5 Tests for Tires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39710.5.1 Bead Unseating Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39810.5.2 Tire Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39910.5.3 Tire Endurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40010.5.4 High Speed Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
10.6 Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40110.6.1 Classification System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
XIV Contents
10.6.1.1 Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40210.6.1.2 Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40310.6.1.3 Further Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
10.6.2 Tolerances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40610.6.2.1 Molded Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40610.6.2.2 Extruded Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40810.6.2.3 Load-Deflection Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
10.6.3 Rubber Bridge Bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40910.6.3.1 Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40910.6.3.2 Design Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41010.6.3.3 Materials Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
10.6.4 Pipe Sealing Rings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41310.6.4.1 Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41310.6.4.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41310.6.4.3 Tensile Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41310.6.4.4 Compression Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41410.6.4.5 Low Temperature Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41410.6.4.6 Oven Aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41510.6.4.7 Oil Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41510.6.4.8 Closing Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416Problems for Chapter 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419Answers to Problems for Chapter 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
Appendix: Tables of Physical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
Preface to Third Edition
The two former editions of “Engineering with rubber” have served as handbooks and teaching texts in a rather specialized branch of materials science and engineer-ing – the design, testing and use of engineered products incorporating rubber – for two generations of students, engineers and scientists who have encountered this unusual and fascinating branch of engineering technology. During this period, applications of rubber in engineering have increased significantly, notably in seals (for example in oil wells and transmission lines) and in flexible mountings to protect buildings against earthquake shocks. However, the second edition of the book has become out-of-print, and some of the material in it, particularly the references, has become out-dated.
This third edition includes revised versions of most of the previous chapters and also contains a new chapter reviewing recent developments in the use of finite-element programs, an important advance in methods of designing rubber products. We hope that the book will continue to help scientists and engineers as they study and apply the basic principles governing the use of rubber components in engineering applications.
Alan N. GentThe University of AkronAugust 1, 2011
Authors
Campion, Robert, Materials Engineering Research Laboratory (MERL Ltd.), Wilbury Way, Hitchin, Hertfordshire, SG4 0TW, England
Ellul, Maria D., ExxonMobil Chemical Company, 388 S. Main Street, Akron, Ohio 44311-1059, USA
Finney, Robert H., HLA Engineers, Inc., 5619 Dyer Street, Suite 110, Dallas, Texas, 75206, USA
Gent, Alan N., College of Polymer Science and Polymer Engineering, The University of Akron, Akron, Ohio 44325-3909, USA
Hamed, G. R., Department of Polymer Science, The University of Akron, Akron, Ohio 44325-3909, USA
Hertz, Daniel L., Jr., Seals Eastern, Inc., Red Bank, New Jersey 07701, USA
James, Frank O., Mechanical Products Division, Lord Corporation, Erie, Pennsylvania 16514-0039, USA
Lake, Graham J., University of East London, Dagenham, RM8 2AS, U.K.
XVIII Authors
Miller, Thomas S., Mechanical Products Division, Lord Corporation, Erie, Pennsylvania 16514-0039, USA
Scott, Kenneth W. (deceased)
Sheridan, Patrick M., Mechanical Products Division, Lord Corporation, Erie, Pennsylvania 16514-0039, USA
Sommer, John G., 5939 Bradford Way, Hudson, OH 44236, USA
Stevenson, Andrew, Materials Engineering Research Laboratory (MERL Ltd.), Wilbury Way, Hitchin, Hertfordshire, SG4 0TW, England
Thomas, Alan G., Queen Mary and Westfield College, University of London, E1 4NS, U.K.
Yeoh, Oon Hock, Freudenberg-NOK General Partnership, Plymouth, MI 48170, USA
1 IntroductionDaniel L. Hertz, Jr.
■■ 1.1■ Rubber in Engineering
Elastomers (natural and synthetic rubber) are amorphous polymers to which various ingredients are added, creating what the rubber chemist refers to as a compound. After heating and reaction (vulcanization), these materials become “rubber”. While they are elastic and rubbery, they also dissipate energy because of their viscoelastic nature. Their strength is high, especially under shear and compressive deformations. But, as with any mechanically loaded component, failure can occur as a result of fatigue. Thus the long-term durability of rubber has to be predictable. Simple design criteria should be made available. Computer-aided design and analysis would be desirable. Specifications are required to control product quality. Physical constants, as with any engineering material, should be readily available. These are the reasons for this book: Engineering Design of Rubber Components.
The next question is: Which are the necessary chapters to read? Answer: All of them – sooner (the reason you probably bought the book) or later (the reason you are re-reading the book), when you have problems. Many failures of rubber components are due to a basic lack of understanding of the nature of rubber.
Rubber is an engineering material. Consider now the process of designing a long-lived rubber component. To be successful, we must understand:
� Polymers and the rubbery state � General design principles
This is not as daunting a task as it appears. Chapters 2 to 4 provide a background for polymers and the rubbery state, and Chapters 5 to 10 give some general design principles. Without attempting to preempt the authors, let me present a sometimes overly simplistic view as I might use in addressing a fellow engineer.