根据当前形势，刘、邓首长在分析了整个战局后，毅然决定发动定陶战役，利用徐州、郑州两处敌人的钳形攻势尚未合拢，郑州各路之敌仍处分散状态的时机，集中力量首先歼灭国民党主力整3师。
整3师驻在郑州，是蒋介石的嫡系部队，基本上是美械装备，一向号称“能攻善守”，三分之二的士兵有作战十余年的历史；中将师长赵锡田是黄埔军校第一期毕业，与刘峙有师生关系，又是国民党国防部陆军总司令顾祝同的外甥，因此，此人一向骄横跋扈，根本不把解放军放在眼里。
为了诱敌深入，刘邓首长决定野战军主动放弃一些城镇，主力大踏步地向北撤退。整3师冒进占领了陇海沿线的几座城镇后，见解放军没有什么抵抗，以为是无力阻挡，便更加猖狂地长驱直入解放区。赵锡田得意地狂叫：“刘伯承已溃不成军了，我不用两个礼拜就可以占领整个冀鲁豫，把他们再赶上太行山区！”
9月3日晨，刘邓首长命令部队先敌撤离定陶大黄集，诱整3师往解放军设下的预定战场里钻。赵锡田当然不知是计，兴冲冲地进抵定陶的大黄集。为了让赵锡田钻得更深些，刘邓首长甚至把大、小杨湖页送给了他。这样，整3师就与他的侧翼整47师远远分离，完全孤立于晋冀鲁豫野战军面前，在局部兵力上陷于劣势。
歼敌时机已到，刘邓首长果断地指挥晋冀鲁豫野战军实施定陶战役，命令部队从南面截断整3师与整47师的联系，从北面收紧口子，拦住整3师的前进道路，从东面迂回侧击整3师。
于是，不可一世的蒋介石嫡系部队整3师便被晋冀鲁豫野战军包围于大杨湖、天爷庙、大黄集地区，陷入我军预设的严密的口袋中。当夜23时30分，我军对整3师发起了攻击，战役的重点是首先歼灭进入大杨湖地区的整3师主力20旅。
我们6纵负责歼灭大杨湖的整3师主力59团，担任主攻任务的就是向守志任副旅长的18旅。向守志和肖永银一致认识到消灭大杨湖守敌，是消灭整3师的关键，关系到战役全局。
于是，18旅集中全力，反复突击。五二团率先炸开鹿砦，抢占了村边一个土围子，与反扑的敌人展开了激烈的战斗，四九团猛打猛冲，三次突入村内，但因后备力量不足，火力单薄，都被迫撤出。这两个团在村边一直和敌人反复争夺，延续到拂晓前。
五四团冲锋到村边后，敌人在村边的机枪全开了火，把前进的道路打得一片烟火。战士们端着刺刀，举着手榴弹，毫无惧色地冲上去，一营教导员朱辉腰里插了九个手榴弹，率领战士们摧毁了一个个坚固的暗堡，突破了敌人的第一道防线，飞快地抵近了村边的两间大院子。这时，朱辉不幸中弹牺牲了，跟在他身后的排长孙全贵，激昂地喊道：“同志们！为牺牲的同志报仇！”
战士们怀着复仇的怒火，像咆哮着的狮子扑向敌人，消灭了残余的敌人后，迅速占领了村边的两所大院子。敌人被压入村边房内后，先是从窗口、房顶和暗堡内，继续疯狂地向我前进的部队扫射，使我军伤亡很大。然后，敌人沿大街两边的工事，向我军反扑过来。我军则利用院墙为掩护，进行英勇阻击。
指战员们前赴后继，奋勇拼搏，把整3师主力59团压缩到这个只有400户人家的村庄中一个角落里。敌人已经十分狼狈了，而，我军的子弹也打光了，手榴弹快没有了，干部战士也有伤亡，再加上垂死挣扎的敌人继续进行反冲击，我军再向前发展一步已很困难。
定陶战役中我军在大杨湖（天爷庙）缴获的坦克。
向守志和旅长肖永银下定决心，组织了对仍在顽抗的敌人的最后一次冲击，炊事员、饲养员、机关干部都统统组织起来投入战斗，指战员们用从敌人尸体上捡来的手榴弹、子弹，用带血的刺刀，以排山倒海之势，迅猛地冲向敌人的阵地。经过3昼夜激战，终将大杨湖之敌歼灭。
敌人主力59团被全歼，整3师便成了崩溃之势，余部仓皇向南逃窜。同时，二纵队在大黄集、七纵队在周庙、小杨湖地区各歼敌一部，整3师防御阵脚顿时大乱，师长赵锡田率残部仓皇向南逃窜。我六纵即命1 6旅乘胜追击，协同二、三、七纵队在大李砦将敌整3师残部歼灭，师长赵锡田，被三纵七旅活捉，整3师全军覆没，使敌大为震惊，各路之敌军心涣散、斗志全无，纷纷夺路逃窜，我军密切协同，乘胜追击，7日又歼敌1 2 7旅和1 2 2旅。经5天奋战拼杀，共歼敌4个旅约1.7万余人，至此，定陶战役胜利结束。
血战大杨湖是定陶战役最关键、最困难、战斗最惨烈的一次战斗，它不仅为全歼敌整3师打开了突破口，更重要的是为定陶战役的胜利奠定了胜利基础，粉碎了蒋介石对解放区进攻的企图。
1946年9月12日，当时的中共中央机关报《解放日报》为庆祝定陶战役的胜利，专门发表了《蒋军必败》的重要社论，指出“定陶战役是继中原野战军胜利突围与苏中大捷之后的又一次重大胜利。这三次胜利，对于整个解放区的南方战线，起到了扭转时局的重要作用。”毛泽东同志也将定陶战役誉为“集中优势兵力，各个歼灭敌人的光辉范例”，在多篇著作中都作了引用。
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