1943年(民国三十二年),吴自良在大姐的资助下,自费赴美留学,在美国匹兹堡卡内基理工学院(今卡内基·梅隆大学)冶金系读研究生,师从物理冶金学家C.S巴瑞特(C.S Barrett)教授和物理学家R.斯莫洛柯夫斯基(R.Smoluchowshi)教授。留学期间,他悉心钻研物理冶金学,1948年(民国三十七年),完成题为《片状铝单晶中滑移机制和内耗的关系》的学位论文,获理学博士学位,毕业后留在卡内基理工学院金属研究所作博士后研究。
1949年,吴自良应聘到锡腊丘斯大学材料系任副研究员,主持“软钢中阻尼和疲劳”的研究。1950年春被选为美国科学促进会会员。新中国成立后,于1950年年底取道香港回国,任北方交通大学唐山工学院(唐山交通大学,现西南交通大学)冶金系教授。
1954年领导完成了中央军委下达的抗美援朝前方需要的特种电阻丝研制任务,获得奖励。50年代,用国内富产元素锰、铝等代替短缺的铬,研制苏联40X低合金钢的代用钢取得成功,对建立中国合金钢系统起了开创作用。60年代,在困难的条件下,冶金所承担气体扩散法分离铀同位素用的“甲分离膜的制造技术”任务,与原子能所、复旦大学等单位的科研人员联合攻关,组成第十研究室,他兼任该室主任,主持这项工作。在他的领导下,经过艰苦探索反复试验,于1964年试制成功并投入使用。1984年获国家发明奖一等奖。
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