JP3857032B2

JP3857032B2 - Method and apparatus for diagnosing crack risk using piezoelectric material

Info

Publication number: JP3857032B2
Application number: JP2000293553A
Authority: JP
Inventors: 由紀夫藤本; 英司新宅
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: JP2002098626A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電材料を用いて機械、構造物あるいは建造物に生じた亀裂の成長速度や成長方向、および亀裂先端からの破壊の危険性を診断する方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属、コンクリートあるいは複合材料からなる橋梁、船舶、航空機、鉄橋、鉄塔、クレーン、海洋構造物、プラント設備、建設機械、道路路面および壁面などでは、使用期間中に種々の要因によって亀裂や割れを生じることがある。鋭い応力集中部を有する亀裂や割れは、それらの機械や構造物、建造物の安全性に重要な影響を及ぼすので、補修の緊急性の判断、余寿命予測などは、メンテナンスにおいて重要な課題である。
【０００３】
従来、割れや亀裂の強度評価は、線形破壊力学に基づいて行なわれるのが一般的である。
【０００４】
強度評価に用いる破壊力学的指標としては、亀裂先端の応力の特異性を表す応力拡大係数Ｋ、または、応力が変動している場合には応力拡大係数範囲ΔＫを用いることが多い。この応力拡大係数や応力拡大係数範囲は、種々の材料の疲労破壊強度、脆性破壊強度などの評価に使用されているが、実機の構造に生じた割れや亀裂の応力拡大係数を計測する良い方法が無いのが現状である。
【０００５】
亀裂先端近傍に応力集中用の歪ゲージを貼りつけて応力分布を計測し、応力拡大係数を推定する方法もあるが、計測精度の問題からあまり使用されていない。
【０００６】
また、有限要素法や境界要素法などの数値解析法によって、応力拡大係数を推定する方法もあるが、荷重条件の複雑さ、溶接残留応力や初期変形の影響、構造の複雑さなどが影響して、実機の応力拡大係数を精度良く推定することが困難なことが多い。
【０００７】
図７は亀裂の態様を示す斜視図であり、図７（ａ）は亀裂の開口型変形（モードＩ）、図７（ｂ）は亀裂の面内せん断型変形（モードII）、図７（ｃ）は亀裂の面外せん断型変形（モードIII ）をそれぞれ示す図である。
【０００８】
応力拡大係数には、図７に示すように、亀裂開口型の応力拡大係数Ｋ_I、面内せん断型の応力拡大係数Ｋ_II、面外せん断型の応力拡大係数Ｋ_IIIがあり、従来の方法では、応力計測結果からこれらを分離して求めるのが容易でなかった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
圧電材料は、歪が負荷されると電荷を発生させるという性質（圧電効果）を持つ材料で、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する機能を持つ。
【００１０】
図８は圧電材料を用いた歪み計測装置の模式図であり、図８（ａ）はその斜視図、図８（ｂ）はその側面図である。
【００１１】
この図に示すように、ｘ，ｙ方向に等方性を有する薄い圧電材料１０１を、平滑な母材１０２上に、正極が上面を、負極が母材１０２面を向くように接着して母材１０２に応力σ_x，σ_yを加えると、圧電方程式により圧電材料１０１の上面と下面の間には（σ_x＋σ_y）に比例する電位差を生じる。
【００１２】
この電位差は母材１０２に金属箔１０３などを貼り付けて、その上に圧電材料１０１を接着し、圧電材料１０１の上面（正極）に電気端子１０４を、また金属箔１０３（負極）に電気端子１０５を取付け、電気配線１０７を介して計測すると、応力速度ｄ（σ_x＋σ_y）／ｄｔに比例した電圧として得ることができる。次に、この電圧を電気回路で積分（以降、積分回路１０６と呼ぶ）して、もとの（σ_x＋σ_y）に比例する電圧に戻すと、２方向応力の和（σ_x＋σ_y）を計測することができる。このことは、チタン酸ジルコン酸鉛を材料とするセラミクス圧電材料およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を材料とする高分子圧電フィルムを用いた先行技術文献（１）〔新宅英司、藤本由紀夫、濱田邦裕「圧電素子による簡易応力履歴センサーの開発、第１報および第２報」（日本造船学会論文集第１８４号、３４３−３５０．１９９８および第１８６号、４０１−４１１．１９９９〕の実験に示されている。
【００１３】
積分回路１０６からの出力電圧をＶとすると、出力電圧Ｖと部材表面の直交する２方向応力σ_x，σ_yの間には次式が成り立つ。
【００１４】
【数１】

ここで、ｃ₁は圧電材料の誘電率、圧電歪定数、応力−歪関係、母材の応力−歪関係および接着材の歪伝達率に関係する定数である。Ａは圧電材料を接着した面積である。出力電圧Ｖは、部材の応力σ_x，σ_yが圧電材料を接着した領域内部で一様な場合には圧電材料の面積に比例するが、σ_x，σ_yが分布する場合には応力分布を領域内部で積分したものになる。
【００１５】
図９は亀裂先端付近の応力を表す座標系を示す図である。
【００１６】
ところで、機械や構造物の部材に生じた亀裂の先端近傍の応力分布（近似解）は、図９に示す座標系において次式で表せることが先行技術文献（２）「岡村弘之著「線形破壊力学入門」（培風館、２２頁から２６頁、１９７６）」に示されている。
【００１７】
【数２】

上式では開口型（モードＩ）の応力拡大係数Ｋ_Iと面内せん断型（モードII）の応力拡大係数Ｋ_IIのみを考慮し、面外せん断型（モードIII ）の応力拡大係数Ｋ_IIIを考慮していないが、機械や構造物に生じた亀裂の多くはモードＩあるいはIIの様式で成長することが多い。
【００１８】
上記（２）式は複雑な関数形をしているが、そのσ_xとσ_yを上記（１）式に代入すると、比較的簡単な関数として次の（３）式が得られる。
【００１９】
【数３】

上記（３）式が、本発明で割れや亀裂の応力拡大係数の推定に使用する式である。
【００２０】
積分回路１０６からの出力電圧Ｖを計測することにより、上記（３）式のモードＩの応力拡大係数Ｋ_IとモードIIの応力拡大係数Ｋ_IIを求めることが課題であるが、２つの未知量Ｋ_I，Ｋ_IIを分離して求めるには、亀裂先端近傍に圧電材料１０１を２個所設置して積分回路１０６からの出力電圧Ｖ₁，Ｖ₂をそれぞれ計測し、上記（３）式を連立させて解く必要がある。
【００２１】
応力拡大係数は材料強度の分野では幅広く使用されている。疲労亀裂の伝播の問題では、パリス則に代表される亀裂伝播速度式によって亀裂の成長速度を推定できる。脆性破壊の評価では、モードＩの応力拡大係数Ｋ_Iが破壊の評価に使用されている。また、Ｋ_IとＫ_IIの大きさを比較することにより、亀裂の成長方向をほぼ推定できることが、例えば、先行技術文献（３）〔村上敬宣「き裂伝播経路の予知について」（日本機械学会論文集（Ａ編）第４６巻４０７号、７２９−７３７．１９８０）〕に示されている。
【００２２】
しかし、実機械や構造物の現場で上記した計測方法を精度良く実施することは容易でない。
【００２３】
本発明は、上記状況に鑑みて、亀裂先端の応力を求め、疲労度を検知し、破壊の危険性を診断する、圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
〔１〕圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方法において、機械、構造物あるいは建造物に生じた亀裂の長さ方向の上下面に、表裏面に電極処理を施した２枚の圧電材料を、この圧電材料の中心が亀裂先端に位置するように微小な間隔で向かい合わせて配置してフィルムに接着し、上下２枚の圧電材料が発生する電位差を計測することにより、亀裂の開口型応力拡大係数Ｋ₁と面内せん断型応力拡大係数Ｋ_IIを分離して求めることを特徴とする。
【００２５】
〔２〕上記〔１〕記載の圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方法において、前記圧電材料が２枚の半円形の圧電材料であり、その円の中心が亀裂先端に位置するように微小な間隔で向かい合わせて配置することを特徴とする。
【００２６】
〔３〕上記〔２〕記載の圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方法において、前記２枚の半円形の圧電材料が、接着する向きによって発生する電荷が異なる異方性圧電材料であり、直交する方向に切り出した２枚の圧電材料を正極が向かい合うように重ねて接着することを特徴とする。
【００２７】
〔４〕上記〔１〕記載の圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方法において、前記圧電材料が２枚の矩形の圧電材料であり、その２枚の矩形の圧電材料の中心が亀裂先端に位置するように微小な間隔で向かい合わせて配置することを特徴とする。
【００２８】
〔５〕圧電材料を用いた亀裂の危険度診断装置において、機械、構造物あるいは建造物に生じた亀裂の長さ方向の上下面に、表裏面に電極処理を施した２枚の圧電材料を、この圧電材料の中心が亀裂先端に位置するように微小な間隔で向かい合わせて配置し接着するフィルムと、電極処理を施した圧電材料の上面（正極）と金属箔（負極）にそれぞれ出力端子を取付けてなるセンサーを備え、前記上下２枚の圧電材料が発生する電位差を計測することにより、亀裂の開口型応力拡大係数Ｋ₁と面内せん断型応力拡大係数Ｋ_IIを分離して求める手段とを具備することを特徴とする。
【００２９】
〔６〕上記〔５〕記載の圧電材料を用いた亀裂の危険度診断装置において、前記圧電材料が２枚の半円形の圧電材料であり、その円の中心が亀裂先端に位置するように微小な間隔で向かい合わせて配置する構造を有することを特徴とする。
【００３０】
〔７〕上記〔５〕記載の圧電材料を用いた亀裂の危険度診断装置において、前記２枚の半円形の圧電材料が接着する向きによって発生する電荷が異なる異方性圧電材料であり、直交する方向に切り出した２枚の圧電材料を正極が向かい合うように重ねて接着する構造を有することを特徴とする。
【００３１】
〔８〕上記〔５〕記載の圧電材料を用いた亀裂の危険度診断装置において、前記圧電材料が２枚の矩形の圧電材料であり、その２枚の矩形の圧電材料の中心が亀裂先端に位置するように微小な間隔で向かい合わせて配置する構造を有することを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００３３】
図１は本発明にかかる第１の圧電材料を用いた亀裂の危険度診断装置の構成図である。
【００３４】
この図に示すように、半径Ｒの半円形の圧電材料の中心に微小な半径Ｒ₀の半円を加工した２枚の半円形の圧電材料１Ａ，１Ｂを準備し、これを構造部材８に生じた亀裂９を挟むように向かい合わせて近接させて置き、圧電材料の半径の中心に亀裂先端１０が位置するようにフィルム１１上に接着する。圧電材料には前述の方法で上面に正極の出力端子４Ａ，４Ｂと下面に負極の出力端子５Ａ，５Ｂを取付けて電気配線７を経て積分回路６に接続する。積分回路６から得られる圧電材料１Ａ，１Ｂの出力電圧Ｖ_A，Ｖ_Bは、
【００３５】
【数４】

なお、圧電材料の中心の微小な半径Ｒ₀の半円の加工を行なわない場合には、（４）式でＲ₀＝０とする。
【００３６】
いま、実機において、Ｖ_AとＶ_Bを計測すれば、それらを上記（４）式に代入して連立方程式を解き、Ｋ_IとＫ_IIを次のように得ることができる。
【００３７】
【数５】

なお、上式の定数ｃ₁は、亀裂に設置するのと同じ形状寸法の圧電材料を平滑な母材に設置して、σ_x＝σ、σ_y＝０の単軸の正弦波応力を負荷した実験を行ない、上記（１）式から事前に求めておくことができる。
【００３８】
図２は本発明にかかる第２の圧電材料を用いた亀裂の危険度診断装置の構成図である。
【００３９】
図１に示したように、圧電材料の形状が半円形でない場合にも上述の方法は適用可能である。例えば、図２に示すように、長さＬ、高さＨの長方形の圧電材料１Ｃ，１Ｄをフィルム１１上に設置した場合には、積分回路からの出力電圧Ｖ_C，Ｖ_Dは上記（３）式を用いるとそれぞれ次のようになる。
【００４０】
【数６】

ここで、Ｇは圧電素子の寸法（幅Ｌと高さＨ）と接着位置に関連する寸法（亀裂からの微小距離）Ｈ₀によって決まる値であり、次式を事前に数値積分して求めておくことができる。
【００４１】
【数７】

使用する圧電材料がポリフッ化ビニリデンのような高分子材料からなる場合は、圧電材料がｘ，ｙ方向に異方性を示すので、圧電材料を接着する向きによって積分回路からの出力電圧が異なったものになる。この場合には、図３（ａ）に示すように、同一形状の圧電材料１Ｅ，１Ｆを直交する２方向から切り出し、図３（ｂ）に示すように、正極が互いに向かい合うように重ねて接着して使用することにより、２つの圧電材料の出力電圧に生じる異方性を打ち消すことができる。すなわち、圧電材料１Ｅの出力電圧をＶ_E＝ｃ₂σ_x＋ｃ₃σ_yとし、圧電材料１Ｆの出力電圧をＶ_F＝ｃ₃σ_x＋ｃ₂σ_yとすると、両方の出力電圧が加え合わされて、（σ_x＋σ_y）に比例する出力電圧を得ることができる。
【００４２】
【数８】

この（８）式を上記（１）式の代わりに使用すると、同じ方法で応力拡大係数Ｋ_I，Ｋ_IIを分離して求めることができる。なお、この場合の出力端子４，５は図３（ｂ）に示すように、向かい合う圧電材料１Ｅ，１Ｆの正極の間に金属箔などを挟んで正極端子４を取付け、反対側の両面の負極を短絡させて負極端子５を取付ける。
【００４３】
ところで、圧電材料を設置するにあたって、亀裂先端近傍に精度良く圧電材料を接着する必要がある。しかし、実機械や構造物の現場で精度良く接着作業を行なうのは容易でない。このため予め金属の箔や蒸着による電気配線を施した薄い樹脂などのフィルム１１をべースとし、この表面に圧電材料を精度良く接着して出力端子を取付けたものをセンサーとして構成し、これを機械や構造物に接着する方法が有効である。
【００４４】
図４は本発明にかかるセンサーの構成図であり、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）はその側面図である。
【００４５】
これらの図に示すように、フィルムのべース１１としては、例えばポリイミドフイルムを使用し、これに金属箔を接着あるいは蒸着させて負極の出力端子５Ａ，５Ｂを取付けておく。亀裂開口によって上下面のポリイミドフイルムが容易に切断されるように、フイルムの一部にスリット１２を加工しておく。これに圧電材料１Ａ，１Ｂを精度よく接着して、上面に正極の出力端子４Ａ，４Ｂを取付ける。このようにセンサー１４を構成することによって、現場での接着作業を容易かつ精度良く行なうことができる。
【００４６】
図５は本発明の第１の適用例を示すセンサーの模式図である。
【００４７】
この図に示すように、圧電材料を用いて構成したセンサー１４を、構造物に生じた亀裂９の先端１０に設置し、積分回路６、電圧記録計１５および電源１６などを平板１３に一緒に取付けておく。橋梁や鉄橋などでは、通常の使用環境下で自動車や貨物車両あるいは鉄道車両などを走らせて計測すると、実使用下での亀裂の応力拡大係数を求めることができる。
【００４８】
船舶や建設機械などにおいても、使用環境下で計測を行なうことにより実使用下の応力拡大係数を求めることができる。また、亀裂が発見された場合に、使用を続行することができない機械や構造物では、特殊な荷重を負荷して、圧電材料の発生する応答を調べることにより、実機の応力拡大係数を推定することもできる。
【００４９】
本発明によって応力拡大係数が計測可能なことを検証するため、実験を行な
った。まず、平滑な試験片にチタン酸ジルコン酸鉛の圧電材料（長さ１７ｍｍ、幅１１ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、村田製作所製）をエポキシ樹脂で接着し、平滑試験片に応力範囲４０Ｍｐａ、１Ｈｚの正弦波の完全両振り軸応力を繰り返し負荷した。
【００５０】
出力端子は導電性の接着剤で取付けた。実験の結果、積分回路からは電圧範囲が０．４０Ｖの正弦波の出力電圧が得られた。圧電材料の寸法は１８７ｍｍ²である。
【００５１】
上記（１）式を解くと、次のように、ｃ₁＝５．３×１０^-5（Ｖ／Ｎ）が得られる。
【００５２】
【数９】

図６は本発明にかかる試験片の構成図であり、図６（ａ）はコンパクト試験片を示す図、図６（ｂ）は４５°亀裂付平板試験片を示す図である。
【００５３】
図６（ａ）に示す形状のコンパクト試験片（ピン穴の中心をつなぐ線から亀裂先端までの距離が４０ｍｍ）と、４５度方向に長さ８５ｍｍの傾斜亀裂を有する平板試験片にチタン酸ジルコン酸鉛の圧電材料を貼り付けて実験を行った。圧電材料は長さ１７ｍｍ、幅１１ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ（村田製作所製）の長方形で、亀裂からＨ₀＝０．５ｍｍの位置に貼り付けた。
【００５４】
図６（ａ）に示すコンパクト試験片では、ピンＰに荷重範囲が１ｋＮ、荷重繰り返し速度１Ｈｚの片振り引っ張り荷重を負荷した。図６（ｂ）に示す４５度方向に傾斜亀裂を加工した平板試験片では応力範囲が２０Ｍｐａ、繰り返し速度１Ｈｚの両振り軸応力を負荷した。
【００５５】
図６（ａ）に示すコンパクト試験片では亀裂開口型（モードＩ）の応力拡大係数が、図６（ｂ）に示す４５度方向に亀裂を有する平板試験片では亀裂開口型（モードＩ）と面内せん断型（モードII）の応力拡大係数が計測できる。なお、この形状の圧電材料のＧを上記（７）式を数値積分して計算すると、Ｇ＝３７．７ｍｍ^1.5となる。
【００５６】
実験の結果、図６（ａ）に示すコンパクト試験片では積分回路から出力電圧範囲がＶ_C＝０．３９（Ｖ）、Ｖ_D＝０．４０（Ｖ）、周期１秒の正弦波が得られた。上記（６）式にこれらの出力電圧Ｖ_C、Ｖ_Dを代入して応力拡大係数範囲を求めると次の値が得られる。
【００５７】
【数１０】

また、図６（ｂ）に示す４５度方向に傾斜亀裂を有する平板試験片では出力電圧範囲がＶ_C＝０．０１（Ｖ）、Ｖ_D＝０．５１（Ｖ）、周期１秒の正弦波が得られた。上記（６）式にこれらを代入すると次の値が得られる。
【００５８】
【数１１】

これらの試験片では、亀裂の応力拡大係数範囲ΔＫが従来の研究により明らかにされている。図６（ａ）に示すコンパクト試験片では上記先行技術文献（２）の２１９ぺージに示された方法で、また、図６（ｂ）に示す４５度方向の傾斜亀裂を有する平板試験片では上記先行技術（３）の７３１ぺージの方法で応力拡大係数が計算できる。与えられた荷重条件下で応力拡大係数を計算すると、図６（ａ）に示すコンパクト試験片ではΔＫ_I＝２１５ＭＰａ√ｍｍ、ΔＫ_II＝０．０ＭＰａ√ｍｍとなる。
【００５９】
一方、図６（ｂ）に示す４５度方向に傾斜亀裂を有する平板試験片ではΔＫ_I＝１４９ＭＰａ√ｍｍ、ΔＫ_II＝１３０ＭＰａ√ｍｍとなる。実験で求めた応力拡大係数範囲の方が理論値に比べて多少小さい値を示しているが、両者はほぼ近い値が得られている。
【００６０】
次に、同じ材質で長さＬ＝１１ｍｍ、幅Ｈ＝６ｍｍ、厚さｔ＝０．３ｍｍ（村田製作所製）の小型の圧電材料を、Ｈ₀＝０．５ｍｍの位置に接着して同じ荷重条件で実験したところ、表１に示すように、コンパクト試験片では、Ｖ_C＝０．１９（Ｖ）、Ｖ_D＝０．２０（Ｖ）の電圧範囲が得られた。
【００６１】
【表１】

また、表２に示すように、４５度方向に傾斜亀裂を有する平板試験片では、Ｖ_C＝０．０１（Ｖ）、Ｖ_D＝０．２４（Ｖ）の電圧範囲が得られた。この寸法の圧電材料のＧは数値積分により、Ｇ＝１６．９ｍｍ^1.5となる。これらを、上記（６）式に代入すると、次のような応力拡大係数範囲が得られる。
【００６２】
【表２】

【００６３】
【数１２】

これらの実験結果を理論値と比較して、表１と表２にまとめているが、寸法の小さい圧電材料を用いると、理論値により近い応力拡大係数範囲が計測できていることが分かる。
【００６４】
以上から亀裂長さに応じて適切な寸法の圧電材料を用いることにより、本発明に基づいて、構造物などに生じた亀裂の応力拡大係数範囲が計測できることが分かる。
【００６５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、２枚の圧電材料を構造物などに生じた亀裂先端部に、微小な間隔で亀裂を挟むように向かい合わせて接着し、圧電材料の表裏面間の電位差をそれぞれ計測して、亀裂の開口型の応力拡大係数Ｋ_Iと面内せん断型の応力拡大係数Ｋ_IIを分離して求めることができる。このようにして得られたＫ_I、Ｋ_IIは、機械、構造、材料分野で多数蓄積されている応力拡大係数を用いた疲労亀裂成長速度や成長方向、さらに脆性破壊強度のデータと見比べることにより、機械、構造物の安全性の判断やメンテナンスに利用することができる。
【００６７】
また、圧電材料を樹脂フィルムなどに予め精度良く接着し、出力端子などを取付けて構成した装置は、実機械や構造物への適用を容易にするものとなり、実用的センサーとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる第１の圧電材料を用いた亀裂の危険度診断装置の構成図である。
【図２】本発明にかかる第２の圧電材料を用いた亀裂の危険度診断装置の構成図である。
【図３】本発明にかかる異方性を有する圧電材料を用いて、等方性の圧電材料と同じ機能を持たせる方法の説明図である。
【図４】本発明にかかるセンサーの構成図である。
【図５】本発明の第１の適用例を示すセンサーの模式図である。
【図６】本発明にかかる試験片の構成図である。
【図７】亀裂の態様を示す斜視図である。
【図８】圧電材料を用いた歪み計測装置の模式図である。
【図９】亀裂先端付近の応力を表す座標系を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ半円形の圧電材料
１Ｃ，１Ｄ長方形の圧電材料
１Ｅ，１Ｆ同一形状の圧電材料
４，４Ａ，４Ｂ正極の出力端子
５，５Ａ，５Ｂ負極の出力端子
６積分回路
７電気配線
８構造部材
９亀裂
１０亀裂先端
１１フィルム
１２スリット
１３平板
１４圧電材料を用いて構成したセンサー
１５電圧記録計
１６電源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for diagnosing the growth rate and direction of a crack generated in a machine, a structure or a building using a piezoelectric material, and the risk of fracture from the crack tip.
[0002]
[Prior art]
Cracks and cracks occur during the period of use in bridges, ships, aircraft, steel bridges, steel towers, cranes, offshore structures, plant equipment, construction machinery, road surfaces and walls made of metal, concrete or composite materials. Sometimes. Cracks and cracks with sharp stress concentrations have an important impact on the safety of those machines, structures, and buildings. Therefore, determining the urgency of repair and predicting the remaining life are important issues in maintenance. is there.
[0003]
Conventionally, the strength evaluation of cracks and cracks is generally performed based on linear fracture mechanics.
[0004]
As a fracture mechanics index used for strength evaluation, a stress intensity factor K representing the peculiarity of the stress at the crack tip, or a stress intensity factor range ΔK when the stress varies is often used. These stress intensity factors and stress intensity factor ranges are used to evaluate fatigue fracture strength, brittle fracture strength, etc. of various materials, but it is a good method for measuring the stress intensity factors of cracks and cracks that occur in the structure of actual machines. There is no current situation.
[0005]
There is also a method for estimating the stress intensity factor by attaching a strain gauge for stress concentration near the crack tip, and estimating the stress intensity factor, but it is not often used because of measurement accuracy.
[0006]
There are also methods for estimating the stress intensity factor by numerical analysis methods such as the finite element method and the boundary element method, but this is affected by the complexity of load conditions, the effects of residual welding stress and initial deformation, and the complexity of the structure. Therefore, it is often difficult to accurately estimate the stress intensity factor of an actual machine.
[0007]
7A and 7B are perspective views showing an aspect of a crack, in which FIG. 7A is an opening deformation (mode I) of the crack, FIG. 7B is an in-plane shear deformation (mode II) of the crack, and FIG. c) is a diagram showing out-of-plane shear deformation (mode III) of a crack.
[0008]
As shown in FIG. 7, the stress intensity factor includes a crack opening type stress intensity factor K _I , an in-plane shear type stress intensity factor K _II , and an out-of-plane shear type stress intensity factor K _III. Then, it was not easy to obtain these separately from the stress measurement results.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
A piezoelectric material is a material having a property (piezoelectric effect) that generates a charge when a strain is applied, and has a function of converting mechanical energy into electrical energy.
[0010]
8A and 8B are schematic views of a strain measuring device using a piezoelectric material. FIG. 8A is a perspective view thereof, and FIG. 8B is a side view thereof.
[0011]
As shown in this figure, a thin piezoelectric material 101 that is isotropic in the x and y directions is bonded onto a smooth base material 102 so that the positive electrode faces the top surface and the negative electrode faces the base material 102 surface. When stresses σ _x and σ _y are applied to the material 102, a potential difference proportional to (σ _x + σ _y ) is generated between the upper surface and the lower surface of the piezoelectric material 101 by the piezoelectric equation.
[0012]
This potential difference is obtained by attaching a metal foil 103 or the like to the base material 102 and bonding the piezoelectric material 101 thereon, and connecting the electrical terminal 104 to the upper surface (positive electrode) of the piezoelectric material 101 and the electrical terminal to the metal foil 103 (negative electrode). When 105 is attached and measured via the electric wiring 107, a voltage proportional to the stress rate d (σ _x + σ _y ) / dt can be obtained. Next, when this voltage is integrated by an electric circuit (hereinafter referred to as an integration circuit 106) and returned to a voltage proportional to the original (σ _x + σ _y ), the sum of two-way stresses (σ _x + σ _y ) Can be measured. This is because of the prior art document (1) using ceramic piezoelectric material made of lead zirconate titanate and polymer piezoelectric film made of polyvinylidene fluoride (PVDF) [Eiji Shintaku, Yukio Fujimoto, Kunihiro Hamada “ Development of Simple Stress History Sensor Using Piezoelectric Element, 1st and 2nd Report "(The Shipbuilding Society of Japan Proceedings No. 184, 343-350.1998 and No. 186, 401-411.1999) Yes.
[0013]
Assuming that the output voltage from the integrating circuit 106 is V, the following equation is established between the output voltage V and the two-way stresses σ _x and σ _y perpendicular to the member surface.
[0014]
[Expression 1]

Here, c ₁ is a constant related to the dielectric constant of the piezoelectric material, the piezoelectric strain constant, the stress-strain relationship, the stress-strain relationship of the base material, and the strain transmission rate of the adhesive. A is an area where the piezoelectric material is bonded. The output voltage V is proportional to the area of the piezoelectric material when the stresses σ _x and σ _y of the member are uniform within the region where the piezoelectric material is adhered, but the stress distribution when σ _x and σ _y are distributed. Is integrated within the region.
[0015]
FIG. 9 is a diagram showing a coordinate system representing the stress near the crack tip.
[0016]
By the way, the stress distribution (approximate solution) near the tip of a crack generated in a machine or structural member can be expressed by the following equation in the coordinate system shown in FIG. "Introduction to Mechanics" (Baifukan, pages 22 to 26, 1976).
[0017]
[Expression 2]

The above equation takes into account only the stress intensity factor K _II of gated stress intensity factor K _I and the in-plane shear type (mode I) (mode II), the stress intensity factor K _III out-of-plane shear (Mode III) Although not taken into account, many of the cracks generated in machines and structures often grow in Mode I or II mode.
[0018]
Although the above equation (2) has a complicated function form, if the σ _x and σ _y are substituted into the above equation (1), the following equation (3) is obtained as a relatively simple function.
[0019]
[Equation 3]

The above equation (3) is an equation used in the present invention for estimation of cracks and stress intensity factors of cracks.
[0020]
By measuring the output voltage V from the integration circuit 106, the (3) is a challenge to determine the stress intensity factor K _I and the stress intensity factor K _II mode II of Formula modes I, 2 two unknowns In order to obtain K _I and K _II separately, two piezoelectric materials 101 are installed in the vicinity of the crack tip, output voltages V ₁ and V ₂ from the integrating circuit 106 are measured, and the above equation (3) is simultaneously provided. It is necessary to solve it.
[0021]
Stress intensity factors are widely used in the field of material strength. In the problem of fatigue crack propagation, the crack growth rate can be estimated by a crack propagation rate equation represented by the Paris law. In the evaluation of brittle fracture, stress intensity factor K _I mode I is used in the assessment of fracture. In addition, it is possible to estimate the growth direction of cracks by comparing the sizes of K _I and K _II . For example, in the prior art document (3) [Takanobu Murakami “Prediction of crack propagation path” (Nippon Kikai Academic Papers (A), Vol. 46, No. 407, 729-737. 1980)].
[0022]
However, it is not easy to carry out the above-described measurement method with high precision on the actual machine or structure site.
[0023]
In view of the above situation, the present invention provides a crack risk diagnosis method using a piezoelectric material and an apparatus thereof that determine stress at the crack tip, detect fatigue level, and diagnose the risk of fracture. Objective.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
[ 1 ] In the crack risk diagnosis method using a piezoelectric material, two piezoelectric materials having electrode treatments on the upper and lower surfaces in the longitudinal direction of a crack generated in a machine, a structure, or a building are provided. Then, the piezoelectric material is placed facing each other at a minute interval so that the center of the piezoelectric material is located at the tip of the crack, and is adhered to the film, and the potential difference generated by the two upper and lower piezoelectric materials is measured. The intensification factor K ₁ and the in-plane shear stress intensity factor K _II are obtained separately.
[0025]
[ 2 ] In the crack risk diagnosis method using the piezoelectric material described in [ 1 ] above, the piezoelectric material is two semicircular piezoelectric materials, and the center of the circle is minute so that the center is located at the crack tip. It is characterized by being arranged facing each other at a proper interval.
[0026]
[ 3 ] In the crack risk diagnosis method using the piezoelectric material according to [ 2 ] above, the two semicircular piezoelectric materials are anisotropic piezoelectric materials that generate different charges depending on the bonding direction, Two piezoelectric materials cut out in a direction orthogonal to each other are stacked and bonded so that the positive electrodes face each other.
[0027]
[ 4 ] In the crack risk diagnosis method using the piezoelectric material according to [ 1 ], the piezoelectric material is two rectangular piezoelectric materials, and the center of the two rectangular piezoelectric materials is at the crack tip. It is characterized by being arranged facing each other at a minute interval so as to be positioned.
[0028]
[ 5 ] In the crack risk diagnosis apparatus using piezoelectric materials, two piezoelectric materials having electrode treatments on the upper and lower surfaces in the longitudinal direction of the cracks generated in the machine, structure or building are provided. , The output terminals on the film (electrode) and the metal foil (negative electrode) on which the electrode material is placed and bonded so that the center of the piezoelectric material is located at the crack tip Means for separately determining the opening-type stress intensity factor K ₁ and the in-plane shear-type stress intensity factor K _II of the crack by measuring the potential difference generated by the two upper and lower piezoelectric materials. It is characterized by comprising.
[0029]
[ 6 ] In the crack risk diagnosis apparatus using the piezoelectric material described in [ 5 ] above, the piezoelectric material is two semicircular piezoelectric materials, and the center of the circle is minute so that the center is located at the crack tip. It is characterized by having a structure in which they are arranged facing each other at a proper interval.
[0030]
[ 7 ] The crack risk diagnosis apparatus using the piezoelectric material according to [ 5 ], wherein the two semicircular piezoelectric materials are anisotropic piezoelectric materials that generate different charges depending on the direction in which the two semicircular piezoelectric materials are bonded to each other. It is characterized by having a structure in which two piezoelectric materials cut out in a direction to be stacked and bonded so that the positive electrode faces each other.
[0031]
[ 8 ] In the crack risk diagnosis apparatus using the piezoelectric material according to [ 5 ], the piezoelectric material is two rectangular piezoelectric materials, and the center of the two rectangular piezoelectric materials is at the crack tip. It is characterized by having a structure in which they are arranged facing each other at a minute interval so as to be positioned.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0033]
FIG. 1 is a configuration diagram of a crack risk diagnosis apparatus using a first piezoelectric material according to the present invention.
[0034]
As shown in this figure, two semicircular

piezoelectric materials

1A and 1B obtained by processing a semicircle with a small radius _R0 at the center of a semicircular piezoelectric material with a radius R are prepared, and this is used as a structural member 8. The generated crack 9 is placed facing each other so as to sandwich the crack 9 and bonded onto the film 11 so that the crack tip 10 is located at the center of the radius of the piezoelectric material. In the piezoelectric material, the

positive output terminals

4A and 4B are attached to the upper surface and the

negative output terminals

5A and 5B are attached to the lower surface and connected to the integrating circuit 6 through the electric wiring 7 by the above-described method. The output voltages V _A and V _B of the

piezoelectric materials

1A and 1B obtained from the integrating circuit 6 are
[0035]
[Expression 4]

In the case where machining of a semicircle having a minute radius R ₀ at the center of the piezoelectric material is not performed, R ₀ = 0 in the equation (4).
[0036]
Now, if V _A and V _B are measured in an actual machine, they are substituted into the above equation (4) to solve the simultaneous equations, and K _I and K _II can be obtained as follows.
[0037]
[Equation 5]

The constant c _{1 in the} above equation is obtained by placing a piezoelectric material having the same shape and size as that of the crack in a smooth base material and applying a uniaxial sine wave stress of σ _x = σ and σ _y = 0. It can be obtained in advance from the above formula (1).
[0038]
FIG. 2 is a configuration diagram of a crack risk diagnosis apparatus using the second piezoelectric material according to the present invention.
[0039]
As shown in FIG. 1, the above method can be applied even when the shape of the piezoelectric material is not semicircular. For example, as shown in FIG. 2, when rectangular

piezoelectric materials

1C and 1D having a length L and a height H are installed on the film 11, the output voltages V _C and V _D from the integrating circuit are (3 ) Are used as follows.
[0040]
[Formula 6]

Here, G is a value determined by the dimension (width L and height H) of the piezoelectric element and the dimension (minute distance from the crack) H ₀ related to the bonding position, and is obtained by numerical integration in advance. I can leave.
[0041]
[Expression 7]

When the piezoelectric material used is made of a polymer material such as polyvinylidene fluoride, since the piezoelectric material exhibits anisotropy in the x and y directions, the output voltage from the integrating circuit differs depending on the direction of bonding the piezoelectric material. Become a thing. In this case, as shown in FIG. 3 (a), the

piezoelectric materials

1E and 1F having the same shape are cut out from two orthogonal directions, and the positive electrodes are overlapped and bonded so as to face each other as shown in FIG. 3 (b). Thus, anisotropy occurring in the output voltages of the two piezoelectric materials can be canceled out. That is, when the output voltage of the piezoelectric material 1E is V _E = c ₂ σ _x + c ₃ σ _y and the output voltage of the piezoelectric material 1F is V _F = c ₃ σ _x + c ₂ σ _y , both output voltages are added. Thus, an output voltage proportional to (σ _x + σ _y ) can be obtained.
[0042]
[Equation 8]

When this equation (8) is used instead of the above equation (1), the stress intensity factors K _I and K _II can be obtained separately by the same method. In this case, as shown in FIG. 3B, the output terminals 4 and 5 are attached with the positive electrode terminal 4 sandwiched between the positive electrodes of the

piezoelectric materials

1E and 1F facing each other, and the negative electrodes on the opposite sides. Is short-circuited to attach the negative electrode terminal 5.
[0043]
By the way, in installing the piezoelectric material, it is necessary to bond the piezoelectric material with high accuracy near the crack tip. However, it is not easy to perform the bonding work with high precision on the actual machine or structure site. For this reason, a film 11 such as a metal foil or a thin resin that has been electrically wired by vapor deposition is used as a base, and a piezoelectric material is adhered to this surface with high accuracy and an output terminal is attached to form a sensor. A method of adhering to a machine or a structure is effective.
[0044]
FIG. 4 is a configuration diagram of a sensor according to the present invention, FIG. 4 (a) is a plan view thereof, and FIG. 4 (b) is a side view thereof.
[0045]
As shown in these figures, as the film base 11, for example, a polyimide film is used, and a metal foil is adhered or vapor-deposited thereon, and the

negative output terminals

5A and 5B are attached. The slits 12 are processed in a part of the film so that the upper and lower polyimide films are easily cut by the crack opening.

Piezoelectric materials

1A and 1B are bonded to this accurately, and

positive output terminals

4A and 4B are attached to the upper surface. By configuring the sensor 14 in this way, the on-site bonding operation can be performed easily and accurately.
[0046]
FIG. 5 is a schematic diagram of a sensor showing a first application example of the present invention.
[0047]
As shown in this figure, a sensor 14 composed of a piezoelectric material is installed at the tip 10 of a crack 9 generated in the structure, and the integrating circuit 6, voltage recorder 15 and power source 16 are mounted on the flat plate 13 together. Install it. For bridges and iron bridges, the stress intensity factor of cracks under actual use can be determined by running and measuring automobiles, freight vehicles, or railway vehicles under normal use conditions.
[0048]
Even in a ship or construction machine, the stress intensity factor under actual use can be obtained by performing measurement under the use environment. Also, in the case of a machine or structure that cannot be used when a crack is found, the stress intensity factor of the actual machine is estimated by applying a special load and examining the response generated by the piezoelectric material. You can also
[0049]
An experiment was conducted to verify that the stress intensity factor can be measured by the present invention. First, a lead zirconate titanate piezoelectric material (length 17 mm, width 11 mm, thickness 0.3 mm, manufactured by Murata Manufacturing Co., Ltd.) was bonded to a smooth test piece with an epoxy resin, and a stress range of 40 Mpa and 1 Hz was applied to the smooth test piece. A sinusoidal full swing axis stress was repeatedly applied.
[0050]
The output terminal was attached with a conductive adhesive. As a result of the experiment, a sinusoidal output voltage with a voltage range of 0.40 V was obtained from the integrating circuit. The dimension of the piezoelectric material is 187 mm ² .
[0051]
Solving the above equation (1) yields c ₁ = 5.3 × 10 ⁻⁵ (V / N) as follows.
[0052]
[Equation 9]

FIG. 6 is a configuration diagram of a test piece according to the present invention, FIG. 6 (a) is a view showing a compact test piece, and FIG. 6 (b) is a view showing a 45 ° cracked flat plate test piece.
[0053]
A compact test piece having the shape shown in FIG. 6A (the distance from the line connecting the centers of the pin holes to the crack tip is 40 mm) and a flat plate test piece having an inclined crack length of 85 mm in the 45-degree direction are zircon titanate. An experiment was conducted by attaching a lead acid piezoelectric material. The piezoelectric material was a rectangle having a length of 17 mm, a width of 11 mm, and a thickness of 0.3 mm (manufactured by Murata Manufacturing Co., Ltd.), and was attached to the position of H ₀ = 0.5 mm from the crack.
[0054]
In the compact test piece shown in FIG. 6 (a), the pin P was loaded with a one-way tensile load having a load range of 1 kN and a load repetition rate of 1 Hz. In the flat plate test piece in which the inclined crack was processed in the 45 degree direction shown in FIG. 6B, a double swing axis stress having a stress range of 20 Mpa and a repetition rate of 1 Hz was applied.
[0055]
The stress intensity factor of the crack opening type (mode I) in the compact test piece shown in FIG. 6 (a) is the same as that in the crack opening type (mode I) in the flat specimen having a crack in the 45 degree direction shown in FIG. 6 (b). In-plane shear type (mode II) stress intensity factor can be measured. When G of this shape of the piezoelectric material is calculated by numerical integration of the above equation (7), G = 37.7 mm ^1.5 .
[0056]
As a result of the experiment, in the compact test piece shown in FIG. 6A, a sinusoidal wave having an output voltage range of V _C = 0.39 (V), V _D = 0.40 (V), and a cycle of 1 second is obtained from the integrating circuit. It was. Substituting these output voltages V _C and V _D into the above equation (6) to obtain the stress intensity factor range yields the following values.
[0057]
[Expression 10]

Further, in the flat plate test piece having an inclined crack in the 45 degree direction shown in FIG. 6B, the output voltage ranges V _C = 0.01 (V), V _D = 0.51 (V), and a sine with a period of 1 second. A wave was obtained. Substituting these into equation (6) gives the following values:
[0058]
[Expression 11]

In these specimens, the stress intensity factor range ΔK of the crack has been clarified by conventional studies. In the compact test piece shown in FIG. 6A, the method shown on page 219 of the above-mentioned prior art document (2), and in the flat specimen having a 45 degree inclined crack shown in FIG. 6B, The stress intensity factor can be calculated by the method of page 731 of the prior art (3). When the stress intensity factor is calculated under a given load condition, ΔK _I = 215 MPa√mm and ΔK _II = 0.0 MPa√mm in the compact test piece shown in FIG.
[0059]
On the other hand, in the flat plate test piece having an inclined crack in the 45 degree direction shown in FIG. 6B, ΔK _I = 149 MPa√mm and ΔK _II = 130 MPa√mm. The stress intensity factor range obtained in the experiment shows a slightly smaller value than the theoretical value, but both values are almost the same.
[0060]
Next, a small piezoelectric material of the same material and having a length L = 11 mm, a width H = 6 mm, and a thickness t = 0.3 mm (manufactured by Murata Manufacturing Co., Ltd.) is bonded to the position of H ₀ = 0.5 mm and the same load is applied. When the experiment was performed under the conditions, as shown in Table 1, in the compact test piece, a voltage range of V _C = 0.19 (V) and V _D = 0.20 (V) was obtained.
[0061]
[Table 1]

Further, as shown in Table 2, in the flat plate test piece having the inclined crack in the 45 degree direction, a voltage range of V _C = 0.01 (V) and V _D = 0.24 (V) was obtained. G of the piezoelectric material of this dimension is G = 16.9 mm ^1.5 by numerical integration. By substituting these into the above equation (6), the following stress intensity factor range is obtained.
[0062]
[Table 2]

[0063]
[Expression 12]

These experimental results are compared with theoretical values and are summarized in Tables 1 and 2, but it can be seen that when a piezoelectric material with a small size is used, a stress intensity factor range closer to the theoretical value can be measured.
[0064]
From the above, it can be seen that the stress intensity factor range of a crack generated in a structure or the like can be measured based on the present invention by using a piezoelectric material having an appropriate dimension according to the crack length.
[0065]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0066]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, two piezoelectric materials are bonded to a crack tip generated in a structure or the like so as to sandwich the cracks at a minute interval, and and the potential difference between the front and rear surfaces were measured respectively, the stress intensity factor K _II stress of gated crack intensity factor K _I and the in-plane shear can be determined separately. The thus obtained K _I, K _II is mechanical, structural, numerous accumulated stress intensity factor and fatigue crack growth rate and growth direction used in the materials field, by further compare the data of brittle fracture strength It can be used for safety judgment and maintenance of machinery and structures.
[0067]
In addition, an apparatus in which a piezoelectric material is adhered to a resin film or the like with high accuracy and an output terminal or the like is attached facilitates application to an actual machine or a structure and becomes a practical sensor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a crack risk diagnosis apparatus using a first piezoelectric material according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a crack risk diagnosis apparatus using a second piezoelectric material according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a method of giving the same function as an isotropic piezoelectric material using the anisotropic piezoelectric material according to the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a sensor according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram of a sensor showing a first application example of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a test piece according to the present invention.
FIG. 7 is a perspective view showing an aspect of a crack.
FIG. 8 is a schematic diagram of a strain measuring device using a piezoelectric material.
FIG. 9 is a diagram showing a coordinate system representing stress in the vicinity of a crack tip.
[Explanation of symbols]
1A, 1B Semi-circular

piezoelectric material

1C, 1D Rectangular

piezoelectric material

1E, 1F Piezoelectric material of the

same shape

4, 4A, 4B

Positive output terminal

5, 5A, 5B Negative output terminal 6 Integration circuit 7 Electrical wiring 8 Structural member DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Crack 10 Crack tip 11 Film 12 Slit 13 Flat plate 14 Sensor comprised using piezoelectric material 15 Voltage recorder 16 Power supply

Claims

Two piezoelectric materials with electrode treatment on the front and back surfaces are formed on the upper and lower surfaces of the crack in the machine, structure, or building, and the center of the piezoelectric material is positioned at the crack tip. Separated from the opening stress intensity factor K ₁ and the in-plane shear stress intensity factor K _II by measuring the potential difference between the two upper and lower piezoelectric materials. A method for diagnosing crack risk using a piezoelectric material characterized by

2. The crack risk diagnosis method using a piezoelectric material according to claim 1 , wherein the piezoelectric material is two semicircular piezoelectric materials, and faces the circle at a minute interval so that the center of the circle is located at the crack tip. A crack risk diagnosis method using a piezoelectric material, characterized by being arranged together.

3. The crack risk diagnosis method using the piezoelectric material according to claim 2 , wherein the two semicircular piezoelectric materials are anisotropic piezoelectric materials that generate different charges depending on the direction of bonding, and are orthogonal to each other. A crack risk diagnosis method using a piezoelectric material, wherein two cut piezoelectric materials are stacked and bonded so that a positive electrode faces each other.

2. The crack risk diagnosis method using a piezoelectric material according to claim 1 , wherein the piezoelectric material is two rectangular piezoelectric materials, and the centers of the two rectangular piezoelectric materials are located at the crack tip. A method for diagnosing a crack risk using a piezoelectric material, characterized by being placed facing each other at a minute interval.

(A) Two piezoelectric materials with electrode treatments on the front and back surfaces on the upper and lower surfaces of the crack in the machine, structure or building so that the center of the piezoelectric material is located at the crack tip A film that is placed facing each other at a minute interval and adhered,
(B) a sensor having an output terminal attached to each of the upper surface (positive electrode) and metal foil (negative electrode) of the electrode-treated piezoelectric material;
(C) comprising means for separately determining the opening-type stress intensity factor K ₁ and the in-plane shear-type stress intensity factor K _II of the crack by measuring the potential difference generated by the two upper and lower piezoelectric materials. A risk diagnosis device for cracks using a piezoelectric material characterized by:

6. The crack risk diagnosis apparatus using a piezoelectric material according to claim 5 , wherein the piezoelectric material is two semicircular piezoelectric materials, and faces the circle at a minute interval so that the center of the circle is located at the crack tip. A crack risk diagnosis device using a piezoelectric material, characterized by having a structure arranged together.

6. The crack risk diagnosis apparatus using a piezoelectric material according to claim 5 , wherein the two semicircular piezoelectric materials are anisotropic piezoelectric materials that generate different charges depending on the direction in which the two semicircular piezoelectric materials adhere to each other, and are cut in orthogonal directions. An apparatus for diagnosing crack risk using a piezoelectric material, wherein the piezoelectric material has a structure in which two piezoelectric materials are stacked and bonded so that the positive electrodes face each other.

6. The crack risk diagnosis apparatus using a piezoelectric material according to claim 5 , wherein the piezoelectric material is two rectangular piezoelectric materials, and the center of the two rectangular piezoelectric materials is located at the crack tip. A crack risk diagnosis device using a piezoelectric material, characterized by having a structure in which they are arranged facing each other at a minute interval.