La trempe d’une pièce en acier est effectuée durant le processus de production afin d’améliorer sa résistance mécanique. Ce procédé thermique consiste à chauffer la pièce à haute température puis à la plonger dans un réfrigérant à basse température, qui peut entrer en ébullition. La vitesse de refroidissement de l'acier définit sa microstructure et ses propriétés mécaniques. La maîtrise de ce traitement thermique est cruciale pour les pièces en acier intervenant dans le circuit primaire d’une centrale nucléaire. Cette thèse propose une étude numérique et expérimentale des phénomènes d'ébullition générés dans le processus de trempe. Le principal objectif est de développer un modèle de simulation réaliste de la trempe pour des tailles de pièces typiques de l’industrie nucléaire. Une première partie porte sur l'étude de l'ébullition en film autour d’un solide immergé sur la base de simulations numériques directes (DNS) (disque et sphère). Des implémentations ont été réalisées dans le code de calcul DIVA afin de coupler différents modèles permettant de simuler l'ébullition, l'inclusion de frontières immergées, et la variabilité de la masse volumique de la vapeur. Ces couplages ont été validés en se comparant à des corrélations analytiques ou à des résultats expérimentaux. La convergence en temps et en espace a également été étudiée. Une étude paramétrique de l'ébullition en film autour d'une sphère fortement surchauffée et immergée dans un liquide sous-refroidi a finalement été menée. Cette étude a permis de mieux comprendre la répartition du flux massique de changement de phase et la distribution angulaire du nombre de Nusselt.Dans un second temps, une première étude expérimentale portant sur la trempe d'acier inoxydable SS304L pour différents sous-refroidissements a été effectuée. Cette trempe est réalisée sur les deux extrémités d'un cylindre, positionné horizontalement. La face latérale est isolée thermiquement. Le cylindre a été préalablement chauffé puis refroidi dans de l'air pour créer une large couche d'oxyde à la surface. Par la suite, les trempes sont réalisées dans de l'eau. L'analyse des relevés de température montre une forte dépendance du refroidissement de la pièce au sous-refroidissement. Toutefois, il semble exister un seuil à partir duquel l'augmentation du sous-refroidissement n'accélère plus autant le refroidissement de la pièce en acier. La répétabilité des expériences est également satisfaisante sur trois essais. Ces données pourront être utilisées pour valider des codes de calcul. Bien qu’initialement l’expérience ait été conçue pour mesurer le flux thermique lors de la trempe, il est apparu finalement que l'estimation du flux sur ce dispositif est perturbée par des biais de mesure. L'effet de ces derniers a été quantifié pour une configuration simplifiée. Ces derniers sont d'autant plus importants que le refroidissement est rapide.Une deuxième expérience de trempe a été réalisée sur un cylindre en acier SS304L, de dimension semi-industrielle, et positionné verticalement. L'instrumentation avec des thermocouples pour cette pièce de grande taille ainsi que la manutention de cette dernière ont posé des difficultés techniques qui ont réduit l'expérience à un seul essai. Les mesures obtenues permettront d'enrichir les bases de données pour valider des codes de calcul. En parallèle, un jumeau numérique a été développé avec le code STAR-CCM+. Il s'appuie sur des corrélations issues de la littérature pour modéliser l'échange de chaleur entre le solide et le fluide. L’écoulement fluide diphasique est traité par un modèle de volume de fluide (VOF) associé à une modélisation URANS de la turbulence de type $k-epsilon$ réalisable. Les résultats des simulations comprenant l’ensemble du dispositif expérimental sont en bon accord avec les données expérimentales. Le refroidissement est très bien prédit pour le bas du cylindre, mais le modèle prédit un refroidissement plus rapide pour le milieu et le haut du cylindre.