После налетов на аэродромы в Севилье, Касересе, Саламанке, Гренаде и Талавере противник начал рассредоточивать авиацию по небольшим площадкам. Хотя атаки на аэродромы продолжались весь ноябрь и декабрь, существенного урона франкистам нанести не удалось. Единственным успехом можно считать налет 25 ноября на аэродром Гамональ, где базировались самолеты итальянского экспедиционного корпуса. По данным экипажей уничтожили три бомбардировщика "Капрони", а на самом деле сожгли разведчик Во 37 и два бомбардировщика "Савойя" S.81.

Налеты на аэродромы перемежались с ударами по войскам мятежников и железнодорожным станциям. По войскам СБ действовали небольшими группами (два-четыре-шесть самолетов). Стандартным являлся подход к линии фронта на высоте 1800-1900 м и скорости около 220 км/ч, затем следовал набор высоты до 3000 м и скорости до 240 км/ч. На подходе к цели опять разгонялись -до 280 км/ч, а при стрельбе зенитной артиллерии - до 320 км/ч. При отсутствии средств ПВО бомбили с высот 500-800 м, а в районе Мадрида, где работала зенитная артиллерия франкистов - с 1500-2000 м. С выбором боеприпасов было небогато: СБ могли нести только ФАБ-50 и ФАБ-100, а потом и аналогичные бомбы иностранных образцов.

Скоростные бомбардировщики часто играли роль "затычки" при прорывах фронта. Задание экипажам давали в самом общем виде, указывая квадраты размером 40 на 40 километров. Фактически цели искали самостоятельно. Бомбили колонны пехоты и кавалерии, автоколонны, артиллерию, обозы. Взаимодействия с наземными войсками не было. Передний край не обозначался, целеуказание не  осуществлялось. Это привело к тому, что в одном случае отбомбились по своим.

Железнодорожные станции атаковали группами той же численности, с заходом вдоль путей. Строились змейкой и прицеливались поодиночке. В тыл противника забирались на глубину до 80 км.

Штурман Н.Г. Гуменный в своих мемуарах красочно описывал бомбежку станции Сигуэнса: "...мы с ходу сбросили весь свой бомбовый груз в самый центр станции. Ее заволокло густым дымом, сквозь который пробивались языки пламени". Не удивительно - по данным разведки в эшелонах везли горючее и боеприпасы, значительную часть которых уничтожили советские летчики.

Периодически СБ приходилось вести разведку, но не очень удачно. Они не несли фотоаппаратуры, а обзор у экипажа был довольно плох. Шахт, вернувшись в Москву, говорил: "СБ как разведчик не годен (...) летали впустую". "Самолет СБ (...) оказался слепым для разведки...", - подвел итог начальник штаба ВВС комкор Лавров. Позднее штурманам выдали английские или французские ручные фотоаппараты, но это ненамного повысило эффективность полетов.

Действовавших в ту пору на стороне противника истребителей-бипланов Не 51 и CR.32 экипажи СБ почти не опасались. Дело в том, что стоявшие на самолете моторы М-100 с нагнетателями имели лучшие высотные характеристики, чем двигатели этих истребителей. На высотах более 4000 м они просто не могли догнать СБ. В.С.Горанов в своем отчете о командировке в Испанию писал: "Сначала они старались догнать СБ, пробовали догонять на полном моторе минут 10, никак не могут. Отстанут и уходят".

Пока истребители подходили к району бомбометания, скоростные бомбардировщики успевали набрать высоту. Когда у франкистов стало больше самолетов, "Хейнкели" и "ФИАТы" стали патрулировать наиболее важные объекты, поднимаясь выше бомбардировщиков. При появлении СБ они разгонялись на пикировании и шли в атаку. Первый заход делали сверху-спереди, проходили над бомбардировщиком или под ним с последующим разворотом и атакой сзади-снизу. Обычно вторая атака не удавалась - истребитель отставал. Целились вражеские пилоты по моторам или пилотской кабине. Немецкие летчики иногда атаковали в лоб. Итальянцы же пытались использовать крупнокалиберные пулеметы своих CR.32 - ныряли под машину сзади и затем стреляли вверх-вперед, поражая бомбардировщик в "брюхо". Так сбили два СБ. Поскольку вначале бомбардировщики обычно возвращались по тому же маршруту, по которому шли к цели, противник стал выставлять воздушные засады у линии фронта.

При атаке спереди пилоты СБ подпускали врага на 400-500 м, а затем давали полный газ со снижением. Если нападали сзади - набор скорости и маневр по горизонту. При этом экипажи смыкались и прикрывали друг друга перекрестным огнем. С ноября бомбардировщики иногда стали летать в сопровождении истребителей. В целом же СБ чаще старались уклониться от встреч с истребителями противника, чем вести с ними бой. Показателем этого можно считать расход боеприпасов: больше одного диска на пулемет за вылет не использовали. При этом чтобы не везти патроны "домой", экипажи зачастую обстреливали случайные цели у линии фронта.

Интенсивная эксплуатация доставляла много хлопот наземному составу. Большую его часть составляли испанцы. Надо сказать, что их подготовку и техническую культуру наши специалисты оценивали выше, чем у механиков, прибывших из СССР. Это можно было легко определить по результатам боевой работы эскадрилий. В эскадрилье Э.Шахта весь техсостав состоял из испанцев и средний налет на самолет был втрое выше, чем у двух других эскадрилий.

Правда, здесь существовали и интересные особенности. Испанцы игнорировали регламент, приступая к ремонту лишь при обнаружении неисправности.

Много проблем было со смешанными экипажами. Часто в экипаж входили русские пилот и штурман при стрелке-испанце, или же русским был только пилот. В воздухе они никак не могли договориться. Пилот на СБ ничего не видел сзади, его "глазами" являлся стрелок - но он молчал. О появлении вражеских истребителей иногда догадывались, когда пули начинали стучать по машине.

Штурманы мучались из-за отсутствия карт. Сначала им выдали политические карты - 40-верстки, без рельефа местности и высот. Затем поменяли на карты автоклуба, на которых обозначались только крупные населенные пункты и асфальтированные дороги. Специальных военных топографических карт и тем более -авиационных карт у республиканцев вообще не имелось. Положение усугублялось довольно плохой подготовкой штурманов (как наших, так и испанских). Самолеты из-за этого часто плутали. Дважды СБ залетали в Португалию. Поэтому на всякий случай бензобаки всегда заполняли доверху, но это снижало бомбовую нагрузку до мизерных 300 кг.

Появление СБ не осталось незамеченным противником. Но там сочли, что это американские бомбардировщики "Мартин 139", о приобретении лицензии на которые перед этим хлопотало испанское правительство. Более точную информацию дала французская разведка. Она сообщила, что советский бомбардировщик "очень быстроходен и хорошо вооружен". Максимальную скорость оценили в 420 км/ч, но сочли, что машина смешанной конструкции.

СБ использовались очень интенсивно, совершая вылеты каждый день. Командиры эскадрилий и инженерно-технический состав пытались протестовать против этого, ссылаясь на быстрый износ машин. Процент неисправных бомбардировщиков, планировавшийся в четверть наличного парка, быстро поднялся до 35%, а затем перевалил за половину. Но на летчиков давили и испанские генералы, и наши военные советники. Летали все чаще и чаще. Если за октябрь-ноябрь совершили 203 самолето-вылета, то за декабрь - 214 (при уменьшившемся количестве самолетов). Вообще среднемесячный налет в 1936 г. составлял 24-25 часов на машину. Такая эксплуатация привела к тому, что к 16 ноября из 20 имевшихся СБ в воздух могли подняться только восемь. Ресурс моторов практически израсходовали, запасные двигатели кончились (к 19 ноября сменили 16 моторов). Положение несколько улучшилось, когда с 21 ноября начали переборку М-100 на заводе "Испано-Сюиза" в Барселоне.

Предписанные УВВС групповые и одиночные комплекты запчастей оказались просто смехотворными. Их израсходовали за пять дней. Дальше разбирали разбитые машины, используя их детали для ремонта оставшихся СБ.

Первая смена советских экипажей в Испании успела совершить на СБ не более полутора десятков боевых вылетов каждый. К декабрю летчиков отозвали в Москву. Там всех заставили написать подробные отчеты о командировке, включавшие обязательный раздел о достоинствах и недостатках самолетов, а также о предложениях по их совершенствованию, тактике применения и эксплуатации. Кроме того, проводились беседы вернувшихся из "страны X" с высшим эшелоном командования ВВС, а иногда и с руководителями более высокого уровня, включая наркома Ворошилова.

При этом выяснилось много интересного. Общая оценка самолета оказалась достаточно высокой. В официальном отчете о командировке в Испанию комбриг Алексеев указал: "СБ показал себя как хороший скоростной бомбардировщик, позволивший выполнять задачи с очень ограниченными потерями". Но если внимательно проанализировать все упоминавшиеся ранее отчеты и стенограммы бесед, то можно понять, что оценка боевой эффективности машины была достаточно спорной.

Относительно летных данных к самолету претензий не высказывалось. Все подчеркивали превосходство СБ в скорости над вражескими истребителями. "Сам самолет очень хорош и обладает достаточной скоростью", - писал В.Горанов. Ему вторил другой пилот, Линде: "Ни Хейн-кель, ни Фиат СБ не догоняют". За счет скорости, маневренности и малых размеров советский бомбардировщик был малоуязвим и для зенитной артиллерии. Вполне устраивали пилотажные качества машины, хотя в некоторых отчетах отмечали недостаточную устойчивость, а также тряску при скоростях 240-280 км/ч.
Но дефекты СБ, во многом подмеченные еще на стадии испытаний, в боевых условиях проявились настолько ярко, что умолчать о них было нельзя. Иногда оценки, данные машине, казались чрезвычайно резкими.

Обзор из всех кабин сочли очень плохим. Пилот ничего не видел вниз и назад ("Летчик слепой, ничего не видит...", - рассказывал в Москве пилот Стуров), штурман смотрел только вперед и еще мог высунуться в люк сверху (на небольшой скорости), стрелок-радист при закрытом фонаре мог глядеть лишь вбок. Советский целлулоид быстро мутнел и уже через пару месяцев штурман отчетливо видел землю только через щель для пулемета. Чтобы было лучше видно, он сдвигал сиденье вперед до упора или вставал на колени.

Связь между членами экипажа практически отсутствовала. Переговорные устройства работали отвратительно. Даже если члены экипажа могли договориться на одном языке (что встречалось редко - наши пилоты в большинстве иностранных языков не знали, испанцы русского -тоже), сообщить что-то друг другу было весьма сложно. Летчик Шаров в течение восьми кругов над аэродромом пытался выяснить у стрелка-испанца, выпустились ли шасси, да так и сел: стойки "сложились" и СБ попал в ремонт. Но что делать, если у них было всего два общих слова: "шасси" и "бьен" ("хорошо"). Пневмопочтой между стрелком и штурманом не пользовались. Дело в том, что патрон почты, приходивший к адресату, подчас вызывал замыкание электросистемы. При этом срабатывал электробомбосбрасыватель и бомбы сыпались вниз.

Позже на одной машине над фонарем пилота поставили зеркало заднего вида под целлулоидным козырьком. Их требовали внедрить на всех СБ, но на наших заводах зеркало появилось гораздо позже, и не похожее на "испанское".

Борьба туполевцев за уменьшение размеров фюзеляжа привела к тесноте кабин. Членам экипажа было неудобно работать, в длительных полетах они быстро уставали. 

Эффективность боевого применения резко снижалась узостью ассортимента боеприпасов. Набор из ФАБ-50 и ФАБ-100 был далеко не оптимален. Для работы по пехоте, кавалерии, артиллерии и самолетам на аэродромах требовались мелкие фугасные, осколочные и зажигательные бомбы, которых СБ тогда нести не могли. "На передовой ФАБ-100дают больше моральный эффект, чем реальное поражение", - сообщали из Испании. В одном из докладов, присланных в Москву в ноябре 1936 г., даже сказано: "СБ для действия по войскам не подходят". Кроме того, при подвеске ФАБ-50 самолет оставался сильно недогруженным.

Как всегда, выручала смекалка. Инженер по вооружению Лещинский изготовил самодельные кассеты для четырех 10-кг бомб, которые поставили на несколько бомбардировщиков. Шахт получил такую кассету в начале декабря и использовал ее при налетах на аэродромы. "Эти бомбы по 10 кг сделали больше дела, чем все остальные", - сказал он потом в беседе с Ворошиловым.

Были претензии к надежности бомбового вооружения. Из-за плохого срабатывания пиропатронов вместо электрических бомбосбрасывателей ЭСБР пользовались в основном резервным механическим сбрасывателем АСБР. Бывали случаи, что и его тросы рвались. При этом на СБ и ЭСБР, и АСБР стояли у штурмана. Если он выходил из строя - бомбы сбросить было нельзя. На французских бомбардировщиках "Потэ" (или "Потез") Р.541, на которых довелось повоевать некоторым нашим летчикам, аварийных сбрасывателей стояло три - у пилота, штурмана и бортмеханика.

С разворота на СБ бомбить было нельзя - бомбы "ложились" на створки люка и рвали их тросы открытия-закрытия. Из-за плохой герметизации при открытом бомболюке в кабинах отчаянно сквозило, а скорость падала на 20-30 км/ч. Но это еще полбеды - в полете вывертывались ветрянки взрывателей бомб, что уже грозило смертельной опасностью взорваться в воздухе.

Ворошилову, наверное, не очень приятно было читать о том, как экипажи приняли его решение сменить пулеметы ШКАС на ДА. Даже корректный Алексеев написал в своем отчете: "Присылка (...) самолетов с ДА вместо ШКАС рассматривалась летчиками как вреднейшее дело, снижающее обороноспособность самолета. Эти настроения особенно усилились после встреч с истребителями".
ДА оказались совершенно непригодными для скоростных самолетов. Дело в том, что встречный поток создавал сопротивление возвратной пружине пулемета, и при большой скорости автоматика отказывала. Шахт выменял четыре ШКАСа у зенитчиков, отдав им взамен выданную ему как командиру эскадрильи легковушку. В итоге его СБ единственный из всей первой партии оснастили по стандартам ВВС РККА.

Но критикой в адрес ДА отнюдь не ограничивались. Стрелковое вооружение СБ вообще сочли неудачным. Носовой пулемет практически не двигался по горизонтали, в щель сильно дуло, поэтому штурман стрелял в очках. Штурман В.И.Суворов позднее писал: "...носовые пулеметы практически бездействуют. ...пулемет штурмана поставлен не для боя, а для модели". В декабре 1936 г. Смушкевич даже предлагал установить два неподвижных пулемета с гашетками у летчика. Это освободило бы штурмана от функций стрелка.

Верхняя пулеметная установка также имела много недостатков. Как уже говорилось, при закрытом фонаре стрелок почти ничего не видел. Поэтому летали с открытым фонарем или вообще его снимали. Стрелок стоял от взлета до посадки, держась за пулемет. При этом многие жаловались, что от сильного напора воздуха болит голова и шея.

Повернуть пулемет перпендикулярно курсу и стрелять в таком положении оказалось почти невозможно. Затвор заедало от скоростного напора. Реально сектор обстрела не превышал плюс-минус 20°. На нескольких машинах позже поставили алюминиевые козырьки-обтекатели вместо фонарей. Успевшие полетать на "Потэ" с завистью вспоминали французские механизированные, полностью экранированные турели-башни, которые без проблем крутились на все 360°. Работать в них было просторно и удобно.

Нижним пулеметом на СБ почти не пользовались: неудобно было переходить от верхней установки к люковой. Тем не менее, из восьми первых вражеских истребителей, сбитых экипажами СБ, семь уничтожили из носового ДА, а восьмой - из нижнего!

Большинство стрелков являлись испанцами. Они учились практически уже в боях. Но и наши стрелки поначалу показали себя плохо. В сводном отчете о действиях республиканских ВВС в 1936 г. даже сказано: "Воздушные стрелки, прибывавшие в Испанию, не умели стрелять, так как им в своих частях никогда не приходилось тренироваться в стрельбе в воздухе".

Боевая живучесть бомбардировщика снижалась отсутствием протектирования бензобаков. Самолет обычно загорался от второй очереди. Первая прошивала баки, бензин растекался по центроплану, а от второй "трассы" бензиновые пары вспыхивали. Огонь перебрасывался в пилотскую кабину. Если летчик открывал фонарь, его тут же охватывало пламенем. Советские летные комбинезоны пропитывались бензином; человек продолжал гореть, уже вися на лямках парашюта.

Требовали поставить в центроплане противопожарные перегородки, протестировать баки (и на "Потэ", и на "Юнкерсах" имелись наружные протекторы баков; а на Р.541 баки при пожаре еще и сбрасывались), взять за образец французское летное обмундирование из кожи. Основные потери СБ несли именно от пожаров в воздухе. Случаев, когда машину сбивали, убив пилота, или повредив управление, практически не отмечено.

Проводились эксперименты по бронезащите. Ставили бронеспинки стрелку и пилоту. Шахту сделали стальное кресло с выемкой для головы. Предлагали установку стальных листов под пилотом и за стрелком.

Планер СБ больших нареканий не вызывал. Некоторые проблемы связывались с шасси. Например, на неровных каменистых аэродромах Испании нередко рвались покрышки хвостовых колес. Колесо ударялось о камень, выворачивалось и лопалось. На одном бомбардировщике за четыре полета сменили три колеса.

Основные стойки показали достаточную прочность. Старший техник Потапов на совещании в Москве в апреле 1937 г. говорил: "Садились с бомбами, с большой нагрузкой и все было в порядке: и ноги, и все шасси!" Настойчиво добивались только дублирования или перемещения лебедки аварийного выпуска колес от стрелка к пилоту. При ранении стрелка и повреждении пневмосистемы садиться приходилось исключительно на "брюхо".

При вынужденной посадке с убранным шасси обычно разбивали нижнюю часть фюзеляжа и створки бомболюков. Предлагали даже сделать низ фюзеляжа отъемным. При вынужденных посадках было много ранений стрелков - фиксация их на сиденье оказалась ненадежной. Фонарь пилотской кабины при ударе иногда заклинивало. Если штурман получал ранение, его с трудом извлекали через тесный верхний люк.

Двигатели М-100 поначалу вырабатывали всего по 20-30 летных часов. Мотористы мучались с утечками воды из блоков (из-за плохой запрессовки гильз), постоянными поломками магнето. Бензин подтекал из карбюраторов и насосов. Двигатели были плохо отрегулированы. В одном случае пришлось перебрать 20 новеньких моторов, чтобы довести их "до ума".

Советские свечи успешно меняли на английские. Пружины привода нагнетателя делали в Барселоне по французскому образцу. Они оказались куда надежнее наших. А моторы, прошедшие ремонт на том же заводе, по отзывам механиков, стали "лучше новых". Но качество поставляемых из СССР двигателей, а также и грамотность их эксплуатации со временем постепенно улучшались.

Самолеты первой партии также страдали протечками водяных и водомасляных радиаторов (вместо пайки их на фронте замазывали масляной краской), обрывами лент стабилизатора, отказами различных устройств сигнализации. Часто выходили из строя тормоза.

Были проблемы с обслуживанием и ремонтом бомбардировщиков. Часто лопался целлулоид остекления, крепившийся болтами - предложили ставить на винтах. Чтобы залатать пробитый центропланный бензобак, надо было отстыковать плоскость, маслобак, бензоколлектор и два внутренних раскоса. На это четырем механикам требовалось двое суток.

Вообще, познакомившись с ремонтом французских и особенно американских самолетов, сделали вывод, что ремонт СБ чрезмерно трудоемок. В отчете бригады завода №22 честно записано: "... с точки зрения ремонта конструкции самолет мало приспособлен".

Много предложений было связано со знакомством с иностранной авиатехникой. Хотели получить кассеты мелких бомб по французскому образцу, мощные и надежные тормоза, как на "Мартинах" и "Боингах", усовершенствованные посадочные щитки с американского бомбардировщика "Мартин 139", электроспуск пулеметов, как у французов и итальянцев, надежные сигнализацию и СПУ, как у немцев.
Все эти предложения собирались УВВС и передавались ЦАГИ и заводу №22. Но внедрение их в жизнь стало делом весьма долгим. А между тем, война продолжалась...

Истребители врага встречались в небе все чаще. Так, 2 января 1937 г. с ними сталкивались трижды. Сначала у Поркуна пара СБ попросту ускользнула от двух Не 51, но вторая пара напоролась на восьмерку "Хейнкелей". СБ ушли без потерь, а один Не 51, по докладам экипажей, - подбили. Еще один "Хейнкель" атаковал два бомбардировщика у Вилья-дель-Рио, но успел сделать только один заход - СБ оторвались за счет скорости. На следующий день франкистские истребители тяжело повредили две машины с испанскими экипажами; обе разбились при посадке, летчики погибли. К 7 января из первой партии в 30 машин считались безвозвратно потерянными уже 11 бомбардировщиков.

Тем не менее, удары по войскам на передовой и железнодорожным станциям близ фронта продолжались. К этому добавились налеты на порты, находившиеся в руках франкистов, и корабли противника в море. Для этого использовали около половины исправных машин. 12 января СБ впервые наведались в Африку - бомбили Мелилью в Марокко. Впоследствии они неоднократно совершали вылеты на Сеуту и Мелилью - тыловые базы мятежников. 20 января три СБ сожгли казармы в Сеуте.
Действия против кораблей были менее удачны. Часто их просто не находили. Некоторым успехом можно считать атаку на два крейсера и пять мелких судов в 40 км от Малаги 14 января 1937 г. Тогда одной ФАБ-100 попали в крейсер "Канариас". Экипажи бомбардировщиков не имели никакой подготовки к действиям над морем. Существовали проблемы с навигацией, один корабль не могли отличить от другого. Когда звено В. Шевченко в первый раз полетело искать "Канариас", испанский адмирал просто на листочке бумаги изобразил контуры корабля. В указанном районе крейсер нашелся, но что-то расходилось с эскизом адмирала. Бомбить его не стали. И правильно, это был другой крейсер - английский!

Да и не учили сухопутных летчиков бомбить корабли в море. В одном из отчетов четко написано: "Бомбить суда в движении авиация не умеет...". Но учились "на ходу". Позже СБ неоднократно атаковали и военные корабли, и транспорты. Потопили небольшой пароход в Кадиксе. Пытались уничтожить франкистские крейсера "Канариас" и "Балеарес", легкий крейсер "Альмиранте Сервера". 26 апреля промазали по итальянскому крейсеру "Барлетто", а 29 мая пара СБ по ошибке отбомбилась по немецкому "карманному линкору" "Дойчланд". Немцы обстреляли из зениток республиканские бомбардировщики. Командир отряда Н.А. Остряков (кстати сказать, переученный на СБ уже в Испании) решил, что это "Канариас", и с 2000 м влепил ему пару ФАБ-100 (из шести сброшенных). На борту было убито 22 моряка и 83 ранено.

24 мая провели хорошо организованный налет на Пальма-де-Майорка. Восьмерка СБ зашла из-под солнца на стоявшие там корабли. Зенитчики сплоховали, огонь успел открыть только стоявший в гавани английский крейсер. Опять попали в "Канариас" и подожгли один небольшой корабль.

В марте СБ участвовали в знаменитом разгроме Итальянского экспедиционного корпуса на Французском шоссе под Гвадалахарой. Корпус, двигавшийся на автомашинах по нескольким узким дорогам в горах, был застигнут комбинированными ударами авиации и танков и понес огромные потери. Например, 20 марта против итальянцев действовали 11 СБ, 14 штурмовиков ССС и 42 истребителя. Штурмовики и истребители обстреливали и бомбили автоколонны на дорогах, а бомбардировщики атаковали скопления войск в населенных пунктах - Бриуэге и Сигуэнце.

В мае СБ провели серию налетов на промышленные объекты в тылу франкистов. Главными целями являлись предприятия по производству боеприпасов и взрывчатых веществ. 8 мая скоростные бомбардировщики вызвали мощный взрыв на заводе в Кордове, а затем дважды, 9 и 11 мая, атаковали пороховой завод в Гранаде. 11 мая шестерка СБ подожгла завод взрывчатых веществ в Уэске, а другая шестерка разрушила два корпуса военного завода в Сабиньяниго. 13 мая дважды бомбили завод в Сарагосе, а на следующий день пара СБ добилась прямых попаданий в литейный цех в Сабиньяниго (его восстанавливали три месяца).

Однако боевая мощь группы СБ постепенно ослабевала. К 12 апреля в строю осталось всего 15 машин. В эскадрилье Проскурова насчитывалось пять самолетов, у Хорьковского - семь (и одна в ремонте), а у Позднякова - всего три. Эту последнюю эскадрилью вскоре расформировали. -, С 23 апреля сменился командир группы. Им стал И.Проскуров.

Для пополнения из СССР направили новую технику. 3 мая в Одессу прибыли с эшелоном из Москвы 10 СБ, затем еще 21. В общей сложности вторая партия состояла из 31 самолета (полный штат эскадрильи ВВС РККА того времени). Все это были новые машины с завода №22, на этот раз стандартные, с вооружением из четырех пулеметов ШКАС. С 17 мая их начали грузить на суда. К 5 июня все бомбардировщики прибыли в Испанию, были собраны и перегнаны на передовые аэродромы. 

Это позволило пополнить обе эскадрильи и выделить отряд для взаимодействия с республиканским флотом. "Морской" отряд вел разведку, бомбил вражеские корабли и порты, а также из-за нехватки истребителей прикрывал транспорты на подходе к портам и при разгрузке. СБ при этом довольно успешно боролись с более тихоходными самолетами противника. Экипаж пилота Зобова, патрулировавший у порта Росас, где выгружался французский пароход, атаковал три двухмоторных гидросамолета (видимо, это были немецкие поплавковые бомбардировщики-торпедоносцы Не 59).
Сначала стрелок Бровкин открыл огонь на пересекающихся курсах, затем СБ стал атаковать гидропланы сзади, подходя на дистанцию менее 100 м. Враг сбросил бомбы в море и начал уходить. Зобов преследовал, пока не кончились патроны носового пулемета.

Столь удачно начатый бой завершился трагично. Внезапно появившийся республиканский истребитель принял СБ за вражескую машину и расстрелял его в упор. Зобов совершил вынужденную посадку на "брюхо", поскольку стойки шасси не встали на замки. Стрелка убило пулей, крови было так много, что она затекла в кабину пилота.

Прибытие новой техники позволило вновь активизировать операции скоростных бомбардировщиков. 16 июня 21 СБ бомбил Уэску, 3 июля попытались уничтожить штаб Франко в Саламанке.

В октябре из СССР прислали еще одну партию СБ. На 20 октября в Испании имелось 25 исправных "Катюшек" и еще 14 в ремонте. Эскадрилий вновь стало три. Республиканская авиация в ходе боев под Теруэлем предприняла ряд крупных налетов на города и скопления вражеских войск. 5 ноября три эскадрильи СБ (одна советская и две испанские) бомбили Сарагосу. Вел группу Сенаторов. Целью являлись склады боеприпасов. В общей сложности сбросили 96 бомб по 100 кг и 48 по 50 кг. Начались взрывы и пожары, которые по донесениям разведки длились три дня. Объективности оценки результатов удара способствовало то, что замыкающий самолет фиксировал разрывы и очаги пожаров на фотопленку.

Еще несколько раз СБ действовали столь же крупными группами: 20 ноября 35 самолетов бомбили Сарагосу, 28-го 30 машин - Хаку.

Тактика скоростных бомбардировщиков постепенно совершенствовалась. Стимулом к этому стало усиление зенитной артиллерии и авиации противника. Зенитные пушки крупного калибра вынудили поднять высоту бомбометания до 5000 м, а позже до 6000-7000 м. Кислородная аппаратура с СБ была давно снята (ранее ею никогда не пользовались) и летчики наскоро приспособили медицинские кислородные подушки. В общем, зенитчики существенно усложнили экипажам выполнение боевых задач. Особенно выделялись немецкие батареи, где тренированные расчеты пристреливались за 7-8 секунд. Немцы применяли особые снаряды, начиненные стальными шариками, связанными тросиком. Они, как пилой, резали металл. Немецкие батареи всегда старались обходить стороной.

Истребители врага встречались уже группами до 60 машин. У СБ появился новый опасный враг - "Мессершмитт" Bf 109B. Эти самолеты работали поодиночке и парами на высотах 5000-6000 м, считавшихся ранее безопасными. Первый СБ был сбит "Мессершмиттом" 23 июля 1937 г. Немецких летчиков-истребителей считали лучше подготовленными, но менее активными, чем франкисты или итальянцы. Пара "мессеров" обычно вела группу СБ, выжидая удобного момента, иногда на 40-60 км удаляясь от линии фронта. Атаковали отстающих или вышедших из строя. На плотную группу немцы обычно "не лезли". 

Стандартная тактика "мессеров" заключалась в том, что атакующий пристраивался чуть сверху за хвостом и ждал когда стрелок откроет огонь, а затем быстро "нырял" вниз и атаковал снизу-сзади раньше, чем тот успевал задействовать нижний пулемет. Огонь немцы вели с близкого расстояния - 25-30 м - и очень метко. Старались убить стрелка, затем уходили пикированием, разгонялись и повторяли атаку. Появление Bf 109 создало еще одну проблему: кольцевые прицелы на наших пулеметах не были рассчитаны на развиваемую им скорость.

Поэкспериментировав с различными построениями, наши летчики остановились на девятке с кильватерным строем звеньев. От звена до звена дистанция составляла 100-150 м, в звене машины шли с расстоянием 20-30 м от крыла до крыла. Задние звенья летели с превышением 10-15 м каждое. Это давало возможность поплотнее сомкнуться при необходимости. При огне с земли звенья маневрировали самостоятельно, иногда перестраиваясь в пеленг.

Подход к цели выполняли ломаными курсами с приглушенными моторами, часто со стороны солнца или через окна облаков. Делали только один заход. Ведущий для пущей надежности пользовался АСБР, остальные - ЭСБР. Это давало минимальное запаздывание со сбросом бомб. Отечественные бомбы действовали безотказно. Они работали надежнее всех прочих, имевшихся у республиканских ВВС, поэтому советские ФАБы выдавали на самые ответственные задания. Уход от цели выполняли с резким разворотом и набором высоты.

Поврежденный самолет ставили в середину группы и при необходимости замедляли движение до его скорости. Обычно на выходе из зоны обстрела зенитной артиллерией СБ поджидали вражеские истребители. Стрелки бомбардировщиков еще с 2000 м открывали заградительный огонь.

Обычно на рассвете СБ летали без прикрытия, но днем - только с истребителями, причем их количество постоянно увеличивалось. 15 марта 1938 г. дюжину бомбардировщиков сопровождали 17 И-15 и 27 И-16. 27 марта на десять машин выделили эскорт из 22 И-15 и 36 И-16. Оказалось, что сопровождать СБ непросто: ни И-15, ни И-16 с их низковысотными моторами не могут догнать бомбардировщик на высоте более 5000 м. Это оказалось по силам только И-16, переоснащенному в Испании американским двигателем "Райт-Циклон" F54.

Обычно СБ подходили к аэродрому базирования истребителей, поджидали их взлета и построения, после чего на земле выкладывали сигнал, разрешающий следование к цели. Но наличие эскорта не всегда гарантировало безопасность. 7 февраля 1938 г. все сопровождение из 30 "ишаков" бросило бомбардировщики, чтобы атаковать группу "Юнкерсов" и "Фиатов". Тем временем дюжина "мессеров" спикировала с высоты и неожиданно атаковала СБ. Четыре машины подожгли и еще десять повредили. В общем без повреждений вернулись только четыре СБ; на остальных насчитали от 24 до 46 пробоин.

В январе 1938 г. Смушкевич предложил Ворошилову "для оказания помощи Испании" дополнительно выделить 50-60 СБ. Поскольку все планы уже были сверстаны и являлись очень напряженными, то просили урезать заказ ГВФ на ПС-40 (разоруженные СБ), а "Аэрофлоту" - купить в США дополнительные DC-3. Интересно, что половину бомбардировщиков для срочности Смушкевич предлагал гнать по воздуху через Чехословакию и Францию с дополнительными бензобаками. Реально отправили еще один комплект из 31 СБ.

В апреле 1938 г. республиканцы получили 20 новых самолетов. Их собирали и облетывали на аэродромах Фигерас и Сельра. В мае пришли еще 11. Это уже были модернизированные машины с протестированными баками и световой сигнализацией. Всего в конце мая у республиканцев имелось 45 СБ, разделенных на три эскадрильи. К 25 июля боеспособных машин насчитывалось 30. 21 из них (две эскадрильи) перегнали в Каталонию, где начиналась битва на Эбро.

Командовал СБ на Эбро майор Юханов. К 30 июля 2-я эскадрилья (русская) базировалась на аэродроме Банельяс, 3-я (испанская) - на аэродроме Сельра. Площадки находились далеко от фронта, вокруг были горы, а на фронте - полно вражеских истребителей и плотный огонь зенитной артиллерии. По бомбардировщикам франкисты превосходили республиканцев вчетверо.

Целями СБ являлись перекрестки дорог, деревни и укрепленные высоты. Летали не девятками, а шестерками, разбитыми на два звена. В своем отчете Юханов писал: "Интенсивность огня зенитной артиллерии противника настолько была велика, что в отдельных полетах эскадрилья шла вся окруженная разрывами и уходя с линии фронта мы наблюдали дым от разрывов в виде густой облачности". Здесь впервые стали применять бомбометание с резкими маневрами на снижении.

По истребителям превосходство врага было невелико, что позволяло осуществить эффективное прикрытие. 31 августа в районе Ганде-са на 2-ю эскадрилью напали 12 "Фиатов". Стрелки СБ не подпустили их ближе 700 м; лишь один истребитель смог подойти на 150 м и тут же загорелся. Вторую атаку не допустили истребители сопровождения. Все СБ вернулись с задания без единой пробоины.

Но не всегда обходилось так удачно. 20 августа при бомбежке деревни Батеа 3-ю эскадрилью на выходе из зоны зенитного огня подстерегли шесть Bf 109B. Два СБ загорелись, но упали на нашей территории и экипажи спаслись, лишь один летчик при прыжке с парашютом разбился о стабилизатор. "Мессерам" тоже порой доставалось "на орехи": 28 августа немецкий истребитель атаковал отставший от строя СБ, рассчитывая на легкую добычу, и напоролся на меткую очередь стрелка-испанца. Бомбардировщик тоже получил повреждения и вынужденно сел на другом аэродроме.

Скоростных бомбардировщиков у республиканцев было мало, и существенного влияния на исход сражения они оказать не могли. В Москву сообщали: "Воздействие СБ слабое, благодаря малочисленности и из-за ветхости моторов".

Тем временем активно продолжались работы по совершенствованию бомбового вооружения самолета. Командированный в Испанию инженер Васильев (с завода №22) в 1938 г. увеличил боевую нагрузку с 600 до 800 кг, добавив два бомбодержателя от самолета Р-Зет в задней части бомбоотсека. На испытаниях выяснилось, что разбег немного увеличился, но скорость и маневренность практически не изменились. Тот же Васильев сконструировал кассету на 32 10-килограммовые бомбы. 23 марта 1938 г. ее испытали на одном из самолетов 2-й эскадрильи. Позднее кассету успешно использовали на фронте. "Работала отлично", - писал штурман В.И. Суворов.

На заводе в Баньолосе разработали два типа кассет для мелких бомб. Кассета для мелких 12-килограммовых "фугасок" была квадратного сечения и вмещала восемь бомб. Самолет брал одновременно шесть кассет - 48 бомб. Для зажигательных бомб по 0,76 кг имелись два варианта - на 76 и 56 штук. СБ нес пять кассет первого типа и одну -второго, всего 436 бомб. В октябре 1938 г. обе системы испытывались на земле и в воздухе, причем проводился сброс боевых бомб в море.

Там же, в Баньолосе, создали систему бомбодержателей для горизонтальной (более выгодной с точки зрения баллистики) подвески бомб калибра 50,70 и 100 кг. Она проходила испытания в июле 1938 г. При этом бомбовая нагрузка увеличивалась до 800 кг с увеличением веса пустого самолета на 120 кг. Сами бомбодержатели брали от биплана Р-Зет.

Испанский историк Миранда пишет о доработке на заводе "Испано-Сюиза" нагнетателей к моторам М-100А, улучшившей высотные характеристики двигателей. Такие модернизированные моторы ставили на самолеты-разведчики.

Война в Испании внесла еще некоторые интересные переделки в СБ. Казалось бы, что сложного - подрезать каретку сиденья штурмана на 15 см. Но это спасло немало жизней. Ранее нужно было сначала сдвинуть сиденье, а потом только открывать нижний люк. Но когда самолет горит, времени на это уже нет. В первой половине 1938 г. осмотрели четыре сбитых СБ. Только из двух штурманы успели выпрыгнуть, да и тех расстреляли в воздухе. С обрезанной же кареткой раненый штурман А.В. Белицкий 9 июня 1938 г. успешно спасся с горящего и беспорядочно падающего бомбардировщика.

К финалу битвы на Эбро республиканская авиация пришла изрядно потрепанной. Из Испании писали в Москву: "Имеющиеся СБ в самое ближайшее время выйдут из строя (...) каждый полет они привозят пробоины от зенитного огня и в конце концов некуда будет больше ставить заплаток". К 1 октября 1938 г. в строю находились 24 СБ, на 11 из них летали советские экипажи. У республиканцев к этому времени было уже довольно много подготовленных летчиков, штурманов и стрелков, поэтому наших решили отправить домой.

Следующая группа наших экипажей должна была прибыть только в середине 1939 г. - решили провести для них дополнительную подготовку, чтобы советские летчики стали примером для испанцев. Но война кончилась раньше.

Государственный переворот в Мадриде привел к смещению правительства Хуана Негрина и приходу к власти хунты, стремившейся прекратить войну любой ценой. В конце марта 1939 г. республиканская армия капитулировала. Остатки трех эскадрилий СБ сдались на аэродроме Баррахас. Всего франкисты захватили 16 машин. Три экипажа улетели в Алжир, но французские власти потом вернули бомбардировщики франкистам.

Еще один СБ ранее был захвачен мятежниками в Каталонии. Он демонстрировался на выставке трофейного оружия в Сан-Себастьяне с табличкой "Бомбардировщик Мартин".

Советские самолеты некоторое время продолжали служить новым хозяевам. На них сменили пулеметы, радиостанции и часть приборов. Некоторые машины получили новые носовые стрелковые точки с одним пулеметом, который мог поворачиваться вбок на 30 градусов. СБ эксплуатировала группа 20W испанских ВВС. Как учебные, они летали до начала 50-х годов.

Весь ход воздушной войны в Испании фиксировался в отчетных документах советских советников по авиации. В 1939 г. в Москве подвели итоги. За все время СБ совершили 5564 самолето-вылета, из них 59,5% - по войскам, 15,5% - по аэродромам и 18% - на разведку. Средний срок боевой жизни машины составлял чуть меньше полугода - 172 дня, при этом в месяц в среднем теряли безвозвратно 10,3% самолетов (из них 6,24% от истребителей, 2,94% - от зенитной артиллерии и 0,08% - от аварий).

Опыт Испании внес заметный вклад в эволюцию СБ. Многому научились также в области тактики его применения и методов эксплуатации. Не все предложенное тогда реализовали, но за три года войны СБ изменился, и изменился в первую очередь на основе полученного опыта.