在归途中，邓世昌并没有因为身体不适而放松对全舰官兵的训练。他组织了一系列贴近实战的演练，包括防火、防水、攻防转换等科目，这些都是基于实际作战需求设计的。邓世昌以身作则，激励全舰官兵积极参与，每次变换阵型都不少于数次。通过这些高强度的训练，全舰官兵的战斗力得到了显着提升，每个人都斗志昂扬，没有丝毫懈怠。
1887年7月，北洋海军在英德两国订购的“致远”、“靖远”、“经远”、“来远”四舰竣工。邓世昌以营务处副将衔参将的身份，参与了这些舰船的接待工作。在归国途中，邓世昌采取了一系列有效的措施来保障官兵健康，这使得“致远”舰成为了唯一一艘没有出现人员病故的舰船。
1888年春，邓世昌率领“致远”舰抵达大沽。同年8月，北洋海军正式成立，邓世昌被授予中军中营副将的职位，并继续担任“致远”舰的管带。由于在接舰任务中的卓越表现，邓世昌被晋升为副将，并加总兵衔。同年，台湾后山的原住民时常骚扰当地，官军多次讨伐未果。邓世昌奉命随同丁汝昌前往台湾协助平叛。邓世昌指挥“致远”舰驶抵台湾埤南地区，利用舰炮支援陆军作战，最终成功平定了叛乱。因此，邓世昌被授予总兵职位，并加提督衔。
1889年2月，李鸿章奏请朝廷任命邓世昌为北洋海军新设的中军中营副将，并继续担任“致远”舰的管带。邓世昌在日常训练中始终坚持高标准，拒绝任何花哨的表演，而是注重实战能力的提升。他的训练方法得到了认可，因此被赐予“葛尔萨巴图鲁”勇号，并获得三代一品封典。
1891年，俄国皇储尼古拉（未来的尼古拉二世）访问中国。邓世昌负责护送尼古拉皇储的部分行程，包括从香港到上海的一段航程。邓世昌顺利完成护送任务，进一步证明了他的指挥能力和外交礼仪上的专业素养。
1893年，邓世昌率领“致远”、“超勇”、“扬威”三舰访问日本长崎。这次访问不仅加深了邓世昌对日本海军实力的认识，也让他意识到了北洋海军与世界先进水平之间的差距。邓世昌多次往返日本，对日本海军的情况有了深入的了解，心中充满了忧虑。
1894年春天，邓世昌短暂回到广州老家，与友人谭国恩交谈时表达了对北洋水师未来战事的担忧。邓世昌深知，如果战争爆发，北洋水师面临的挑战将异常艰巨。
七、壮烈殉国
1894年9月17日，中日甲午战争期间，在黄海的大东沟海域，爆发了一场激烈的海战。这场战役中，邓世昌指挥的“致远”舰英勇作战，成为北洋海军抵抗日本侵略军的象征。
在战斗中，“致远”舰遭到了日本舰队的猛烈攻击，多处受伤，舰身燃起熊熊大火，船身也开始倾斜。面对危急的局面，邓世昌并未放弃，反而鼓舞全舰官兵：“吾辈从军卫国，早置生死于度外，如今之事，有死而已！”他决定以“致远”舰全力冲撞日方舰队中的“吉野”舰或其他目标，意图与敌人同归于尽。据一些研究者分析，邓世昌的目标可能是日本联合舰队的主力分队——本队，而不是第一游击队，因为本队的火力更为猛烈。
“致远”舰在邓世昌的指挥下，全速向敌舰冲去，沿途不断发射炮弹，显示了不屈不挠的战斗精神。然而，在下午3时30分左右，“致远”舰突然发生了剧烈的爆炸，船体迅速向右侧翻，最终沉入了大海。关于“致远”舰的沉没原因，后世有多种说法，包括被日本鱼雷击中、被日军炮火击中引发自身鱼雷爆炸等。但根据综合分析，最有可能的情况是“致远”舰因严重损伤进水过多而导致倾覆。
邓世昌在舰船沉没后落入海中，他的随从刘相忠带着救生圈赶来救援，但邓世昌拒绝了。随后，一艘中国鱼雷艇靠近，艇上士兵呼喊着让邓世昌抓住扎杆，但他依旧拒绝了救助，认为既然全舰官兵已经牺牲，自己也不应该独自生存。邓世昌所养的爱犬“太阳”也游来试图救助主人，但邓世昌拒绝了狗的帮助，并最终与爱犬一同沉入海底，践行了与军舰共存亡的誓言。
邓世昌牺牲的消息震动了国内外。清廷对邓世昌的英勇行为给予了高度评价，按照“提督例赐恤”，追赠他为太子少保，并赐予祭葬，谥号“壮节”，允许入祀京师昭忠祠。此外，清廷还授予邓世昌“三代一品封典”，其三个儿子均被授为“一品荫生”。
1896年初，在广州光孝寺为邓世昌举行了隆重的公祭仪式。清廷御赐祭文、碑文各一篇，各界人士纷纷前来吊唁，场面极其感人。《申报》对此进行了报道，描述了当时的情景，称前来祭奠的人络绎不绝，挽联祭轴琳琅满目，体现了人们对邓世昌英雄事迹的深切怀念。
1897年，御史潘庆澜上奏朝廷，称颂邓世昌遵从母亲教诲，移 孝 作忠，奋力作战直至牺牲，死得最为壮烈。清廷对此予以肯定，并赐予邓世昌的母亲郭氏一块“教忠资训”的匾额，以表彰她养育了一位忠勇的英雄。
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