Вивчив ефект зміни механічних властивостей в процесі третього перетворення при відпустці, пояснивши його природу — це явище отримало назву «ефект Стародубова». У 1946 році захистив докторську дисертацію. З 1947 року — член-кореспондент АН УРСР. У 1947—1953 роках — заступник директора Дніпропетровського металургійного інституту із навчальної роботи.