此后，庞炳勋与张自忠成为生死之交。
59军的临沂战役一共经历了五天，从1938年3月14日将士们夜渡沂水，用手榴弹和刺刀向日军猛攻开始，五天后的3月19日，张自忠下达了总攻击令，59军所有将士高呼着口号，冲向敌阵，战至夜半，板垣征四郎终于胆怯了，以放火为号，日军全面退却。
老兵们说：“五天五夜，都没有睡过觉，实在太困了，就抱着枪猫着腰打个盹，鬼子上来了，又端着枪把鬼子压下去。”
阮明刚说，这五天里，日军白天进攻，依仗着飞机、大炮和坦克，抢占了59军的阵地，而夜晚来临的时候，59军则摸上被日军占领的阵地，与日军短兵相接，用手榴弹和刺刀又将日军赶走。城中拼死坚守的庞炳勋军团也趁势反击，第5师团占不到便宜，只好狼狈逃窜。
老兵们说，日军逃走的时候，光死尸就装了120辆卡车。还有900多具死尸来不及运走，日军只好砍下这些死尸的右手，装在卡车上。
第5师团，日军的甲级师团，板垣征四郎吹嘘天下无敌的第5师团，在短短的半年时间里，一败于林彪，二败于张自忠。号称“铁军”的第5师团，却都败于武器装备极为落后的八路军之手和一向瞧不上眼的杂牌军之手，板垣征四郎颜面扫尽，痛心疾首，几乎要切腹自杀。
临沂战役，日军伤亡4000余人，而被59军伤亡的，就多达3000余人。第3军团和59军也伤亡9210人，而59军伤亡4482人，其中军官伤亡199人。这场战役中，最为人称道的是刘家湖之役，59军全歼日军第3大队一千余人。而59军也付出了惨重的代价，仅全体阵亡的就有26旅678团2营和113旅226团第6、第10连，114旅227团第12连，225团第7连。张自忠看到曾经生死与共的弟兄战死沙场，心情沉重地说，真比油煎心肠还狠。
临沂战役结束后，阮明刚所在的连队仅剩七八个人，他升为机枪手；李长维所在的连队仅剩十几个人，他升为副排长。
而此战，张自忠是抱着必死的决心来到临沂的。在临沂之役前夕，他曾致电西北军旧将鹿钟麟：“战而死，虽死犹生；不战而生，虽生亦死。”而以后在每次战役中，张自忠都把它当成自己参加的最后一次战役。
临沂之役震动全国，而取得临沂大捷的，竟是当初万民口诛笔伐欲置其于死地的张自忠，当时的人们无不恻然，怆然，戚戚然。
张自忠将军一战成名，洗刷了自己身上的汉奸罪名，抹去了泼在自己身上的积年脏水。
此战之后，再无人说张自忠是汉奸。
此战之后，张自忠升为27军团军团长，兼59军军长；半年后，又升为33集团军总司令。
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