1944—1948年，吴自良在卡内基理工大学当研究生，师从X射线晶体学家、物理冶金学家巴瑞特（C.S.Barett）教授和物理学家斯莫落柯夫斯基（R.Smoluchowski）教授攻读博士学位。

　　1947年吴自良在美国

　　远赴世界顶尖级的学校学习该校最具领先水平的冶金专业，吴自良十分珍惜这来之不易的机会，他知道，在卡内基理工学院学习，肩上的任务并不轻松，由于自己当年在北洋大学学习矿冶学科的时间不长，基础薄弱，把专业学好并有所建树并非易事。因此，他比别人花更多的精力，埋头苦读，悉心钻研物理冶金的专业知识，打下了坚实的基础。他心中明白，只有掌握好先进的科学技术知识，将来才能为祖国多做贡献。

　　1949年吴自良在美国

　　1948年，吴自良以一篇题为《片状铝单晶中滑移机制和内耗的关系》的论文，获得了理学博士学位。这篇论文立题新颖，逻辑严密，分析推理准确，获得一致好评。研究生毕业后，吴自良继续留在卡内基理工学院金属研究所做博士后。莅年应聘到锡腊丘斯大学材料系任研究工程师，参与主持美国国防部资助的重要科研项目“软钢的阻尼和疲劳”的研究工作。尽管在美科研资金充裕，发展前景一片大好，吴自良却常常惦念着自己的祖国，没有忘记养育他的华夏热土，没有忘记自己炎黄子孙的炽热血脉，没有忘记自强不息科技报国的伟大梦想。

　　1949年10月，新中国成立的消息传到美国，吴自良激动万分，面对新中国的召唤，他毅然放弃在美优越的物质生活条件和专业对口、很有发展前途的工作，立即着手准备回国投身新中国的建设，他要把所学到的先进科技知识贡献给自己的祖国。

　　1952年吴自良在上海

　　科学没有国度，但是科学家有自己的祖国。尽管满腔热情，但受国际环境的制约，吴自良的回国之路历尽曲折坎坷。1950年冬，吴自良突破重重阻挠，离开美国，取道日本兵转途香港回国。1951年初，吴自良终于踏上了组过这片让他魂牵梦萦的热土。那一刻，尽管没有鲜花的簇拥，没有亲朋的迎接，没有祖国授予的任何荣誉和奖赏，吴自良却感到如同回到母亲的怀抱般温暖。已过而立之年的他难以抑制自己的激动，在心里默默地说：“亲爱的祖国，自良回来了。”