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2月13日，志愿军围攻砥平里的战斗打响了。
这场战斗的准备工作就出了问题——地形没看，地图不可靠，和实地存在差异；敌情不明，一开始的情报是砥平里只有要逃命的一两个营敌军，可侦察报告说敌人在大挖工事要坚守，人数也远远不止一两个营；指挥系统一片混乱，负责战场统一指挥的40军119师师长徐国夫最担心的是，攻击部队建制混乱，前后投入3个军的6个团，有些团长的名字徐国夫都叫不出来，而且，由于通讯手段落后，打起仗来各团根本不可能协同，只能各打各的。
经过通宵血战，主攻的2个团竟没能占领一块敌人的主阵地，反而有大量伤亡，在砥平里其他几个方向，另几个团队也进展不顺。由于地形不熟，有个团黑灯瞎火攻下了和砥平里地形差不多的马山，另一个团则兴奋地报告：“已经占领砥平里！”事实上攻占的却是叫田谷的地方，是朝鲜中部几千个外观都差不多的山村中的一个。这些情况弄得指挥部无所适从，等情况弄明白天也亮了。
白天就是美国飞机的天下了。在这样一个弹丸之地，集中了无数的敌机，整整轰炸了一个上午，到了中午，砥平里被包围的美法军用坦克开路，在飞机掩护下，中心开花，大举反击！志愿军士兵只好固守几个简陋的出发阵地，西线惨烈的阻击战场面在这里重演了，大批英勇的战士倒在美国人的立体火网下……
终于撑到了天黑，白天出击的美法兵全部缩回了环形防线。于是头天的攻击又重演了，黑夜是中国人的。
14日夜，美军飞机扔下了大批照明弹。在那刺眼的白光下，上万名志愿军从四面八方猛攻方圆不到2平方公里的砥平里防线，美军则凭借炮火织成一道密集的火力屏障，竭力组织志愿军战士接近阵地，而志愿军的攻击部队只有3个炮兵连十几门火炮掩护，全部炮弹只有不到400发，2分钟不到就全打没了……
打到午夜时分，志愿军在付出惨重牺牲后终于冲过了一道道炮火屏障，靠近了环形防线。惨烈的白刃战开始了。劈断骨头的“劈啪”声在双方肉搏交战地响成一片，美法军士兵的惨叫声此起彼伏。砥平里环形阵地岌岌可危，就连弗里曼上校也吃了一颗子弹。眼看美国人就要顶不住了，可这时天空又浮现了志愿军士兵不愿看到的亮色……乌压压的美军飞机又要下蛋了……
15日，砥平里的战局仍僵持不下。李奇微也沉不住气了，他严令美骑1师5团23辆坦克搭载160多名步兵解围砥平里。经血战，美军十多辆坦克突进了砥平里环形防线，守军顿时士气大振……
而参战的志愿军部队此时接近弹尽粮绝。15日下午，邓华命令40军军长温玉成统一指挥围攻砥平里部队，16日必须拿下砥平里！可此时部队伤亡过大，歼敌战机已失，即使能够攻克，对整个战役态势于事无补，除非在拿下砥平里的同时，能够歼灭相当数量的援敌。心情沉痛的彭德怀再三斟酌，亲自下了撤退令。
当日夜，在漫天的大雪中，志愿军向北方撤去……
《韩国战争史》大肆吹嘘：“砥平里战斗，是美军同中共军作战中在战术上取得的第一个成功战例，鼓舞了全军的信心，解除了美军决策当局对战局发展所抱的疑虑。这次胜利的意义可与英国第8军在阿拉曼取得的胜利比拟，也可以说是‘第二仁川’。”美军战史也大言不惭地说：“第2师在砥平里的英勇坚守后来证明是挡住共产党进攻的转折点。”而李奇微则在砥平里战场巡察时还较为实事求是地说：“算是幸运，总算没有被中国人整垮。”
志愿军砥平里之战失利，虽只是小挫刀锋主动撤围，却在美军面前完全暴露了自己的主要弱点，从此，美国军方认准了志愿军火力极弱，攻坚能力太差，即使穿插突破也难以大纵深攻击。侵朝美军再也不像从前那样一遭迂回穿插即全线撤退，开始敢于固守据点了。美国政府于此役后坚定了在朝鲜打下去的决心，李奇微也以此战证明了他堪为彭德怀的对手！
砥平里战后，一代名将邓华在志司作了深刻检讨，他的挚友韩先楚，则至死都认为应该先打砥平里。这次失利打破了彭德怀稳定战局的希望，东线反击未能达到破坏敌军战役布防的目的，西线的阻击也就失去了意义。1951年2月16日，38军全部撤过汉江。第四次战役第一阶段结束了。2月17日，中朝联司决定，全线转入防御。
李奇微则得势不让，全线越过汉江继续北进，可惜美军战斗力太差，空有那么优势的火力，一天也只能推进1公里左右。2月20日，李奇微又发起“屠夫作战”，继续北进，踌躇满志的李奇微刚下完命令，扫兴的消息就到了——“太上皇”麦克阿瑟又要到朝鲜前线视察了。李奇微知道，这个刚刚丢尽了脸面的“联合国军”司令是来抢夺自己头上的荣誉桂冠的。
此刻，在东京的麦克阿瑟尴尬万分。没想到，李奇微居然打退了中国人，世人会怎么看待他呢？为挽回面子，麦克阿瑟只好老着脸皮向新闻界吹嘘，美军以前的后撤是“一种巧妙的战略行动”，“拉长了中国人的后勤线”……然后，他一下子就把李奇微的一切努力成果归功于自己这项子虚乌有的巧妙的战略行动。他说：“现在的局势证明了我的战略的有效性！”
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